normas de cargas
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NORMAS PARA EL DISEÑO DE CARGA
Los vehículos de diseño considerados, principalmente, en los proyectos de ingeniería de
la red
vial son los del tipo H20-S16-44 (HS20-44). Este vehículo es un semitrailer de tres ejesde
peso total 72,000 libras (32.7 toneladas) siendo la carga máxima por eje de 32,000 libras
(14.5 t).
Sin embargo, desde la década de los 60’s hasta inicios de los años 90’s (y en la presente
década solo algunos proyectos), se diseñaron y construyeron muchos proyectos de
puentes con normas distintas (por ejemplo los vehículos C25 y C30 de las
especificaciones francesas).
Posteriormente desde el año 1994, en concordancia con las disposiciones de AASHTO,
se han diseñado los puentes para cargas más altas, del tipo HS20-44+25% conocidacomo HS25, con el fin de tomar en cuenta el aumento de carga proporcionado por el
aumento de tránsito y de capacidad de los camiones actuales. Este vehículo es un
semitrailer de tres ejes de peso total 90,000 libras (40.9 t) y la carga máxima por eje es
de 40,000 libras (18.2 t).
Desde el año 1,996 la desaparecida Dirección de Puentes ha tratado de uniformizar los
criterios de diseño. Finalmente, el 31 de Julio del 2003 mediante Resolución Ministerial
N°
589-2003-MTC/02 se aprobó el Manual de Diseño de Puentes, cuyo fin es establecer
una metodología de diseño de puentes uniforme y acorde con las nuevas
especificaciones de
diseño de puentes de AASHTO. La carga de diseño de estas especificaciones es la
denominada HL93 que consiste en la suma del vehículo HS20-44 más una carga
repartida de 0.96 t/m por vía de tránsito.
De modo similar otras entidades, como la Municipalidad de Lima (EMAPE) y la Región
Callao, han adoptado las mismas especificaciones para el diseño de las nuevas
estructuras de puentes.
ii) Normas de carga
Actualmente, los vehículos que circulan por la red vial se ven normados por el
“Reglamento Nacional de Vehículos” aprobado mediante Decreto Supremo No 058-
2003-MTC. En este
reglamento se establecen los requisitos y características técnicas que deben cumplir los
vehículos que ingresen, transiten y operen dentro del sistema nacional de transporte
terrestre.
Según este reglamento el peso bruto vehicular máximo permitido es de 48 t, con una
tolerancia de 3 % en el peso bruto y 5 % por eje o conjunto de ejes. Cualquier vehículo
que sobrepase estos límites debe solicitar el permiso de circulación correspondiente.
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Capacidad de Carga
En general, las cargas consideradas en los diseños de los puentes, han permitido y
permiten el flujo irrestricto de vehículos. Los puentes diseñados para cargas vehiculares
HS20, C25 y C30 que se encuentran en buenas condiciones de conservación corroboran
este hecho, también el hecho de que no se han reportado accidentes por deficienciasestructurales.
En la década del 90 y debido al aumento de la actividad económica, se han ejecutado
trabajos
(a cargo de las empresas privadas) de rehabilitación, reforzamiento y construcción de
nuevos
puentes de las rutas nacionales y departamentales como Pucallpa-Aguaytía, Callao-
Pativilca-Antamina, Trujillo-Otuzco, Paita-Cajamarca, Lima-Cajamarca entre otras.
Debido a estos trabajos muchos de los puentes pueden ahora soportar más carga de la
considerada en su
diseño inicial.
Sin embargo existe aún, un buen porcentaje de puentes de la red vial nacional y
departamental, que debido a su antigüedad, agresividad del ambiente y falta de
mantenimiento; requieren de trabajos de rehabilitación y/o reforzamiento para
adecuarlos a las
actuales condiciones de carga y trafico. Con la información recopilada se ha elaborado
el siguiente cuadro:
Se puede observar que 12 % de puentes se pueden considerar como defectuosos debido
a que la carga viva de diseño es menor que la especificada como mínimo para un puentede red vial nacional (HS20-44).
El 35 % de los puentes, que figuran en la columna “No Indica”, muestra que una
cantidad importante de estos no tiene información referida a la carga viva de
diseño. No necesariamente implica defecto o deterioro.
También se ha elaborado un cuadro que clasifica los puentes por su antigüedad en base
a la fecha de construcción.
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Se observa que un 7 % de los puentes tiene más de 35 años de antigüedad, 3 % más de
45 años y 1 % más de 55 años. Los dos últimos valores indican la necesidad de evaluar,
reparar o reemplazar estas estructuras debido a su antigüedad.
Hay un significativo número de estructuras (66 %) de las que no se sabe su antigüedad,
aunque ello no indica defecto o deterioro.
Vulnerabilidad
La red vial presenta serias debilidades para enfrentar condiciones ambientales severas,
como el fenómeno El Niño, particularmente en la zona Norte del país. En muchos casos
el problema es consecuencia de no considerar la longitud de puente adecuada
(capacidad hidráulica) para permitir el paso de flujos extraordinarios de agua o huaycos
(en la sierra y ceja de selva), también el problema surge al considerar una inadecuada
profundidad de cimentación.
Para reducir la vulnerabilidad en los puentes se necesitan obras nuevas o de
modificación que no están relacionadas con la capacidad vial sino con el aumento de la
capacidad hidráulica, el reforzamiento de la cimentación, la elevación de rasantes y la
construcción de estructuras de protección y defensa ribereña (muros de contención,
enrocados, gaviones, etc.).
3.2.3. OBRAS PROGRAMADAS
Para los años siguientes el Estado, a través de sus diversas entidades, ha programado la
construcción de los puentes que se muestran en el Cuadro 3.15 (los dos primeros han
sido programados para los años 2004-2005, véase Cuadro 3.18):
La empresa privada a través de la Concesión de la Red Vial N°5 (NORVIAL) ha programado la construcción, en dos etapas,de los puentes que se muestran en el Cuadro 3.16.
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3.2.1. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN DE PUE
3.2.3. Acciones variables (Q)
3.2.3.1. SOBRECARGAS DE USOLas acciones indicadas en este apartado serán de aplicación
en puentes cuya anchura de plataforma del tablero sea inferior aveinticuatro metros (< 24,0 m). En los casos en que la plataforma del
tablero sea igual o superior a veinticuatro metros (>24,0 m), el
proyectista deberá justificar y someter a la aprobación de la Dirección
General de Carreteras, los valores de las sobrecargas de uso que
proponga.
Se define como plataforma del tablero de un puente de
carretera, la superficie apta para el tráfico rodado (incluyendo por tanto
todos los carriles de circulación, arcenes, bandas de rodadura y marcas
viales) situada a nivel de calzada y comprendida: entre los bordillos de
las aceras laterales del tablero -si éstas existen- cuando tengan más deciento cincuenta milímetros (150 mm) de altura, o entre caras interiores
de los pretiles del tablero, para el resto de los casos.
1. TREN DE CARGAS
a) Componentes verticales
Las componentes verticales del tren de cargas corresponderán
a las tres acciones siguientes actuando simultáneamente:
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a1) Una sobrecarga uniforme de cuatro kilonewtons por metro cuadrado (4,0 kN/m2)
extendida en toda la plataforma del tablero o en parte de ella, según sea más
desfavorable para el elemento en estudio.
a2)Uno o dos vehículos de seiscientos kilonewtons (600 kN), cuyo eje longitudinal se
considerará paralelo al de la calzada, y formado cada uno por seis cargas de cienkilonewtons (100 kN).
La separación entre cargas en sentido longitudinal será de un metro y
cincuenta centímetros (1,50 m), y en sentido transversal de dos metros (2,00 m). La
superficie de apoyo sobre la que actuará cada carga será de veinte centímetros (0,20 m),
paralelamente al eje del vehículo, por sesenta centímetros (0,60 m) de ancho (figura 1).
Figura 1
Planta croquis de un vehículo pesado
En puentes de anchura de plataforma del tablero menor o igual que doce
metros (<12,0 m) se considerará la actuación de un solo vehículo pesado en dicho
tablero.
En puentes de anchura de plataforma del tablero mayor que doce metros (>
12,0 m) e inferior a veinticuatro metros (< 24,0 m), se considerará la actuación en dicho
tablero de uno o dos vehículos pesados, según sea más desfavorable.
La posición de cada uno de ellos en dirección longitudinal, será la que resulte
más desfavorable para el elemento en estudio.
En la disposición transversal de los vehículos pesados dentro de la
plataforma del tablero (figura 2), se cumplirán las siguientes prescripciones:
En caso de que exista mediana fija, se podrán colocar los dos vehículos
pesados a un mismo lado de la mediana cuando la anchura de esta zona de la plataforma
del tablero sea, a su vez, superior a doce metros (>12,0 m).
Distancia mínima de una de las líneas de cargas a bordes de plataforma
del tablero: cincuenta centímetros (0,50 m).
Nunca podrán estar situados dos vehículos pesados en un misma líneaparalela a la directriz de la plataforma del tablero, debiendo ser la distancia transversal
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mínima entre líneas de cargas de diferentes vehículos pesados situados en la misma
zona de la plataforma del tablero: dos metros (2,00 m).
Figura 2.
Esquema del posicionamiento transversal de los vehículos pesados
(*) SÓLO PODRÁ CONSIDERARSE ESTE 2º VEHÍCULO PESADO ACTUANDO EN LAPOSICIÓN INDICADA SI "B" ES MAYOR QUE 12 M.
a3)
Una sobrecarga uniforme de cuatro kilonewtons por metro cuadrado (4,0
kN/m2) extendida en toda la superficie, o en parte de ella según sea más desfavorable
para el elemento en estudio, de aceras, pistas para ciclistas o ciclomotores, zonasreservadas a paso de animales y medianas que estén físicamente separadas de la
plataforma del tablero.
A efectos locales, si dichas zonas no se encuentran protegidas por una
barrera rígida que impida el paso accidental de un vehículo, se comprobarán además con
una carga de sesenta kilonewtons (60 kN), supuesta actuando sobre una superficie de
treinta centímetros por treinta centímetros (0,3 x 0,3 m2) en la posición mas
desfavorable, no compatible con la sobrecarga uniforme definida en este apartado, ni
con las sobrecargas definidas en los epígrafes a1) y a2) del apartado 3.2.3.1.1 a) de la
presente Instrucción.
En pasarelas, rampas y escaleras para peatones se supondrá la misma
sobrecarga uniforme definida en el epígrafe a3) del apartado 3.2.3.1.1 a) de la presente
Instrucción.
En todos los valores de las cargas definidas en este apartado está ya incluido
el correspondiente coeficiente de impacto, que tiene en cuenta el carácter dinámico de
las cargas que, en la presente Instrucción, se suponen aplicadas estáticamente.
b) Componentes horizontales
b1) Frenado y arranque
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El frenado, arranque o cambio de velocidad de los vehículos, dará lugar a
una acción cuyo valor se estimará en un veinteavo (1/20) de la sobrecarga definida en
los epígrafes a1) y a2) del apartado 3.2.3.1.1 a) de la presente Instrucción.
En el caso en que la vía disponga de carriles de sentidos opuestos de
circulación, se considerará como de sentido único si esta hipótesis resulta másdesfavorable.
Se adoptarán como valores mínimo y máximo para esta acción del frenado y
arranque que puede actuar sobre todo el puente, los siguientes:
Valor mínimo (kN): 20. b > 140 kN
Valor máximo (kN): 60. b < 720 kN
donde b es la anchura de la plataforma del tablero en metros.
La acción del frenado y arranque, con los valores definidos anteriormente, seconsiderará aplicada en la dirección del eje de la plataforma del tablero y actuando a
nivel de la superficie del pavimento, como una acción uniformemente distribuida sin
solución de continuidad en una longitud, LF, que se tomará igual al menor de los
siguientes valores: longitud del tramo de puente entre juntas contiguas -o longitud del
puente si éstas no existen-, o doscientos setenta metros (270 m).
En los casos en que esta longitud, LF, sea igual a doscientos setenta metros
(LF = 270 m), se situará longitudinalmente a lo largo del puente en la posición más
desfavorable para el elemento en estudio.
b2) Fuerza centrifuga
En puentes de planta curva, la fuerza centrífuga se supondrá actuando
horizontalmente perpendicular al eje de la plataforma del tablero, a cota del pavimento y
con el valor deducido de la siguiente fórmula:
Fc=K·M·V2e /R
donde:
Fc = fuerza centrífuga (N). M = masa de la sobrecarga definida en a1) y a2) de 3.2.3.1.1 a) (kg).
Ve = velocidad específica en el tramo de ubicación del puente (m/s).
R = radio en planta de la curva correspondiente al eje de la plataforma
del puente (m).
k = factor de distancia adimensional que puede suponerse igual a:
231/(V2
e+231)
Al considerar la actuación de la fuerza centrifuga en un tablero, las
componentes verticales del tren de cargas definidas en los epígrafes a1) y a2) del
apartado 3.2.3.1.1 a) de la presente Instrucción, deberán disminuirse en el mismo factor
K anteriormente definido.
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2. TREN DE CARGAS PARA FATIGA
Las acciones variables repetitivas previsibles durante la vida útil de una
estructura, pueden ser definidas por modelos simplificados de carga, que son los que
habitualmente se emplean para la comprobación del estado límite de fatiga.
En el caso de que el fenómeno de fatiga sea producido por las acciones del
tráfico, se tomará como modelo de carga representativo de éste un vehículo con las
mismas características geométricas que el definido en el epígrafe a2) del apartado
3.2.3.1.1 a) de la presente Instrucción, pero con una carga total de trescientos noventa
kilonewtons (390 kN) (seis (6) cargas de sesenta y cinco kilonewtons (65 kN) cada
una). A este valor se le aplicará un coeficiente dinámico multiplicador, , igual a uno
con dos décimas ( =1,2).
La diferencia de tensiones extremas obtenidas al solicitar el puente con el
vehículo mencionado colocado en las posiciones mas desfavorables posibles dentro de
la plataforma del tablero, deberán ser afectadas, para obtener una mejor aproximaciónentre el efecto de fatiga debido al modelo utilizado y el originado por el tráfico real, por
los factores correctores, tomados de las normas de materiales correspondientes, que se
refieren a:
Esquema estático de la estructura.
Vida útil del puente.
Volumen del tráfico real.
Distribución del tráfico pesado en los distintos carriles del puente.
3. SOBRECARGA EN TERRAPLENES ADYACENTES AL PUENTE
A efectos del cálculo del empuje del terreno sobre elementos de la estructura
en contacto con él, se considerará actuando en la parte superior del terraplén, en la zona
por donde pueda discurrir el tráfico, una sobrecarga uniforme de diez kilonewtons por
metro cuadrado (10 kN/m2).
Esta sobrecarga se tendrá en cuenta únicamente en los casos en que las
cargas producidas por el tráfico actúen a una distancia, medida en horizontal desde la
parte superior de la estructura, menor o igual a la mitad de la altura del elemento de la
estructura sobre el que actúe el empuje.
En su caso, deberán tenerse en cuenta los empujes locales debidos a la
actuación de un eje del vehículo pesado del tren de cargas definido en el epígrafe a2) del
apartado 3.2.3.1.1 a) de la presente Instrucción.
4. EMPUJE SOBRE BARANDILLAS
En el elemento superior de las barandillas, se considerará la actuación de una
fuerza horizontal perpendicular a las mismas igual a un kilonewton y medio por metro
(1,5 kN/m). La acción de dicha fuerza será simultánea a la de la sobrecarga uniforme de
cuatro kilonewtons por metro cuadrado (4 kN/m2) definida en el epígrafe a3) del
apartado 3.2.3.1.1 a) de la presente Instrucción.
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La altura sobre el pavimento a la que se considerará actuando dicha fuerza
será la del elemento superior de la barandilla, salvo que dicha altura sea mayor de un
metro y medio (>1,5 m), en cuyo caso se adoptará este valor como altura máxima de
aplicación de la solicitación.
Esta acción tiene carácter local y, por tanto, sólo se utilizará para lacomprobación de la propia barandilla y de sus anclajes, sin que deba ser considerada a
efectos de ninguna otra verificación de la seguridad general de la estructura.