Metodologa de trabajo para el pre-dimensionado de puentes

Metodologa de trabajo para el pre-dimensionado de puentesDavid A. Valencia ZapataEstudiante de Ing. Civil. Asistente de Ingeniera en el rea de Ingeniera de Gerencia Tcnica GyM

Sinopsis: En la ciudad de Lima, se planea la construccin de dos nuevas vas expresas: Va Expresa Sur y Va Expresa Javier Prado, las cuales tendrn numerosas intersecciones con vas importantes de la cuidad. Para ello, ser necesaria la construccin de diversos puentes. Entonces, surge la pregunta: cmo disear ese puente? Al momento de disear un puente, nos encontramos con diversas posibilidades y variables de diseo como luz libre, curvas horizontales, glibos, condiciones geotcnicas, etc. En el presente artculo, se analizarn las variables que afectan el diseo de puentes y se propondr una metodologa de trabajo que permita obtener un diseo satisfactorio. Adems, se tomar un puente de la Va Expresa Sur como ejemplo de la metodologa expuesta.

Categora: Propuesta de mejoraPalabras Clave: Puentes, va expresa, infraestructura vial,

INTRODUCCIN En el desarrollo de un proyecto de infraestructura vial, muchas veces es necesaria la construccin de puentes para atravesar obstculos (Figura 1). En este tipo de construccin se ven involucradas numerosas variables de tipo ingenieril y econmicas.

Figura 1. Puente de interconexin vialEl puente debe cumplir con un diseo estructural ptimo que, a su vez, tenga un proceso constructivo factible en cuestiones de plazo y costo. Este diseo, muchas veces obedece al criterio y experiencia del ingeniero estructural. Entonces, cmo decidimos que clase de puente es el ms conveniente, tanto del punto de vista estructural como del constructivo? Existen numerosos papers extranjeros que analizan un puente en particular; sin embargo, este anlisis muchas veces se limita al aspecto estructural o al aspecto constructivo, sin entrelazarlos.

ALCANCE Y OBJETIVOS:El alcance de este paper se limita al anlisis estructural de puentes definitivos de secciones y luces diferentes para interconexin vial de vas expresas en la ciudad de Lima, utilizando acero, concreto o una combinacin de ambos, con un diseo vial geomtrico urbano.

El objetivo a futuro es la creacin de una herramienta de pre-dimensionamiento estructural de puentes en vas expresas, considerando procesos constructivos, costos y plazo. Como este paper es un inicio de un trabajo de tesis, el objetivo es la presentacin de la metodologa de trabajo y un ejemplo de la misma en el proyecto de la Va Expresa Sur (VESUR).

METODOLOGA DE TRABAJOLa metodologa utilizada es basada en la desarrollada por Niemeyer (2003). Es una metodologa lineal de seis pasos:1. Definicin del proyecto2. Validacin con el cliente3. Restricciones de diseo4. Identificacin de parmetros clave5. Configuracin estructural preliminar6. Evaluacin7. Solucin Satisfactoria

Figura 2. Diagrama de flujo de la metodologa adaptada de Niemeyer (2003).Luego de llegar a una configuracin estructural preliminar, se procede a la evaluacin de la misma. Si se satisfacen todos los requisitos tanto estructurales como constructivos, se acepta como diseo definitivo. De lo contrario, se regresa a proceso de identificacin de parmetros clave para crear una nueva configuracin estructural. A continuacin, se explicar cada uno de los procesos:1.- Definicin del proyecto: Es el inicio del proyecto, donde se desarrolla la ingeniera bsica. En esta etapa, el ingeniero diseador se desempea como parte del equipo de ingeniera que lleva el proyecto a cabo, definiendo la data que necesitar para plasmar el diseo.2.- Validacin con el cliente: En esta fase, se lleva a cabo un acuerdo con el cliente para validar los datos de entrada (input) necesario para que el diseador pueda elaborar su proceso creativo de configuracin estructural.

Figura 3. Datos de entrada que el cliente debe proveer al ingeniero estructural. (Elaboracin propia)Dentro de la data, se debe especificar diversas variables que afectan el diseo, tales como: -Diseo Geomtrico Vial: Se requiere saber el nivel de detalle del trazo, para saber cul es el ancho de la autopista para dimensionar la seccin transversal y, en especial, las irregularidades en planta y perfil.-Condiciones Geotcnicas: Aqu se definen todos los parmetros necesarios para definir la subestructura del puente. Se puede obtener una recomendacin de la profundidad de desplante y con ello, una capacidad portante. Tambin, se puede indicar si se optar por una cimentacin superficial o una profunda.-Evaluacin Ssmica: Se definir cmo se calcular la aceleracin ssmica de diseo. Incrementando su complejidad, se puede optar por la Norma Peruana de Edificaciones E.030, un anlisis tiempo-historia o un acelerograma sinttico. ste ltimo mtodo resulta ser el ms complejo y se utiliza en estructuras importantes.-Cdigo de Diseo: Se establecer la norma de diseo a la que se regir el ingeniero estructural. Dado que en el Per no contamos con una norma propia de puentes, se suele optar por la AASHTO LRFD 2007; sin embargo, si el cliente lo desea, se puede utilizar otra norma de diseo similar, que sea viable tcnicamente. 3.- Restricciones de diseo: Estos son parmetros que todas las propuestas deben cumplir, son las restricciones, tanto en diseo como en construccin. Dentro de las diversas restricciones, se ha elaborado una lista de ellas, para ser analizadas (Figura 4)

Figura 4. Lista de restricciones. (Elaboracin propia)Dentro de las restricciones estructurales, se observa el nmero de tramos que el puente puede desarrollar por cuestin de espacio para la subestructura. Adems, se solicita el glibo del puente para definir la altura de la subestructura. Asimismo, se necesita saber la luz libre del puente que es el factor que va a tener mayor incidencia en el comportamiento y diseo estructural del puente.Otra variable es el material a utilizar, ya que para luces alrededor de 100m, se recomienda el uso de acero. El dispositivo de neopreno o acero, depender del mecanismo de disipacin que se desee utilizar. El neopreno es ms econmico y ha brindado buenos resultados.Dentro de las restricciones de construccin, se ha propuesto las limitaciones comunes que son: costo y plazo. Tambin, se ha introducido la variable de tecnologa en el proceso constructivo porque podra darse el caso de que la tecnologa no se haya implementado en el pas y sea necesaria traerla desde el exterior, lo cual representa un reto an ms grande. Adems, tratndose de una obra de infraestructura vial que atraviesa importantes vas de la ciudad, la variable del trfico y su desvo juegan un rol muy importante, por lo que se solicita conocer dicha restriccin que va a influir en la decisin del proceso constructivo a realizar.4.- Identificacin de los parmetros clave: Luego de identificar los diversos parmetros que afectan al puente junto con sus respectivas restricciones, se procede a identificar cules son las variables clave, es decir, las de mayor prioridad. Para ello, se puede elaborar la lista de restricciones en orden de mayor a menor prioridad.5.- Configuracin estructural preliminar: La previa identificacin de parmetros clave, nos permite obtener configuraciones preliminares con mayor valor para el cliente ya que se adaptan mejor a las necesidades planteadas. En este proceso es cuando hay mayor parte creativa ya que se pueden dar muchas soluciones para la construccin de un puente.

6.- Evaluacin: En este proceso, la alternativa presenta por el diseador se somete a un proceso de evaluacin por parte del equipo tcnico del cliente para ver si satisface las condiciones de un buen comportamiento estructural, un proceso constructivo factible y si se adapta al costo y plazo propuesto por el cliente. En caso el diseo sea satisfactorio y cumpla con los requisitos ya mencionados, se opta por el diseo presentado para un anlisis ms a detalle y empezar el diseo estructural. Sin embargo, en caso no satisfaga todas las condiciones, se regresa al paso nmero cuatro. Se reordenan las prioridades o se identifica alguna variable que no fue tomada en cuenta con anterioridad, para luego, obtener una evaluacin satisfactoria.ANLISIS Y RESULTADOSAplicacin de metodologa de trabajoA continuacin, pondremos en prctica la metodologa de trabajo con el siguiente puente de la Va Expresa Sur (VESUR).

Tomaremos el caso de un puente ubicado en la interseccin de la Panamericana Sur y la VESUR (Figura 5).

Figura 5. Plano de planta del intercambio vial Panamericana Sur con VESUR.

1.- Definicin del proyecto: Como se puede observar, ya se cuenta con planos de ingeniera bsica por lo que debemos adaptarnos a los trazos ya generados.2.- Validacin con el cliente: An no se realizan los ensayos de mecnica de suelos (EMS), pero se sabe que el suelo es arenoso. Adems, ya se cuenta con un diseo preliminar del puente, por lo que realizaremos una revisin del mismo.Se procede a recolectar la data de entrada (input) del puente en anlisis.

Figura 6. Input de data del puente

3.- Restricciones de diseo: Similar al paso dos, procedemos a identificar las restricciones, haciendo uso del cuestionario que se ha generado.

Figura 7. Plano de planta del puente en anlisis.

Figura 8. Restricciones de diseo y construccin4.- Identificacin de parmetros clave: Como se puede observar en la figura 8, an no hay restriccin definida por el costo o plazo; sin embargo, vemos que el trfico de preferencia no debe ser interferido, pero si se requeriese, que sea preferentemente en las noches. Por razones de espacio se est previendo la construccin de un puente de dos tramos de 30m con un pilar intermedio.5.- Configuracin estructural preliminar: En este caso, la geometra del elemento ya se encuentra definida por la ingeniera bsica, por ello, se proceder al anlisis de la misma.

Figura 9. Vista de perfil del puente simtrico

Figura 10. Seccin transversal del puenteAnlisis estructural inicial con SAP2000 v15Para el puente analizado, se utiliz concreto fc = 350 kg/cm2 para la viga que conforma el tablero y concreto fc = 210 kg/cm2 para el pilar y los estribos. El acero de refuerzo es el convencional con fy = 4200 kg/cm2. Inicialmente, se introdujeron los datos de los materiales y luego, se model la estructura de manera muy simplificada mediante objetos tipo frame y con secciones transversales equivalentes, para trazar lneas de influencia y ver cules secciones seran las ms crticas en el anlisis:

Figura 11. Modelo con elementos tipo frame en SAP2000Entonces, se procedi a analizar lneas de influencia cada 5m en la estructura, siendo las ms crticas las mostradas a continuacin: Lnea de Influencia a 5m del estribo izquierdo

Aqu, se observa un momento positivo donde cae la carga puntual y adems una rotacin importante en el estribo izquierdo. Lnea de Influencia a 5m del pilar intermedio

Aqu, se observa un momento positivo donde cae la carga puntual y un momento similar 5m a la derecha del pilar intermedio, ello genera una rotacin importante en el pilar central, generando mayor esfuerzo cuando la carga viva se desplace cerca al centro del puente.Anlisis estructural con CSiBridge v15Al trabajar con el CSiBridge, el anlisis de puentes se puede hacer de una forma ms detallada. Por ejemplo, podemos insertar la seccin de viga cajn, con mayor facilidad, as como definir la cimentacin y los pilares intermedios.

Figura 11. Seccin transversal de viga cajn 8.00m x 1.60m en el CSiBridge.

Figura 12. Modelo 3D del puenteSe le aplic una carga viva mvil al puente para ver las cargas sobre la columna, y una carga mvil de doble sentido de dos vehculos. Figura 13. Fuerza axial en el pilar central, cuando se somete el puente a la carga mvil Figura 14. Diagrama de Momentos debido a carga muerta en el puente como un todo.

Figura 15. Diagrama de Momentos debido a una carga vehicular doble: dos vehculos en doble sentido.Resultados

Los momentos debido a carga muerta nos dan una idea de la lnea de pretensado para evitar las deflexiones; sin embargo, an faltara realizar un anlisis de creep del concreto. El mximo momento positivo se produce ms o menos por donde lo predijo la lnea de influencia en el SAP2000, confirmando la hiptesis que a mayor deformada en la lnea de influencia, ser una zona de mayor momento. Los momentos por la carga vehicular no superan los 300 t-m, para lo cual, el puente se encuentra con bajos esfuerzos. El puente, desde el punto de vista estructural, cumple satisfactoriamente con las cargas vivas y muertas impuestas. Se podra optimizar el puente con una seccin parablica y pretensado;sin embargo, debe evaluarse el proceso constructivo y el plazo que requiere el mismo. Dentro de las opciones constructivas, se puede realizar vaciado in situ, concreto pretensado. En Estados Unidos, se est proponiendo el uso de prefabricados.

Figura 16. Estribo prefabricado en Minnesotta, USA.

Figura 17. Capbeam prefabricada en Texas, USA.

Conclusiones Las variables que afectan el diseo de puentes son numerosas y tener un metodologa de trabajo facilita la identificacin de stas, as como priorizarlas para obtener una solucin satisfactoria para el cliente. La construccin del puente dependen en gran medida de la tecnologa disponible y del presupuesto lmite para el mismo. El anlisis de las lneas de influencia nos ayuda mucho no slo en identificar las secciones crticas de un puente. Tambin nos sirve como herramienta de diseo en concreto postensado. Las soluciones de diseo estructural para un puente son variadas, as que siempre hay nuevos mtodos constructivos que innovan los diseos.

Casos de excepcin, Soluciones adoptadas o RecomendacionesEn el presente paper, el anlisis estructural se ha limitado al anlisis de lneas de influencia por cargas mviles. El anlisis ssmico y por pretensado se realizar en un futuro paper, ya que ste est enfocado al problema.

Referencias

Niemeyer, S. (2003). Conceptual Design in Building Industry Masters Thesis. Deparment of Structural Engineering, Chalmers University of Technology, Gteborg, Sweden.

Troitsky, M.S. (2000). Conceptual Bridge Design Bridge Engineering Handbook, Ed Wai-Feh Chen and Lian Duan, Boca Raton, FL, USA.

Stevens, T. (2012). ABC: Acelerated Bridge Construction MnDOT Bridge Office LRFD Workshop, MN, USA.