Edinson guanchez-diseño-de-puentes-en-concreto-armado

19/04/2016
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ESTADO DEL ARTE EN EL DISEÑO SISMORRESISTENTE DE PUENTES EN
CONCRETO ARMADO (DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN).
ESTADO DEL ARTE EN EL DISEÑO SISMORRESISTENTE DE PUENTES
Normativa AAHSTO LRFD.
(Filosofía de Diseño).
Los principios de diseño sísmico de las especificaciones AASHTO son las siguientes:
• Los puentes sujetos a sismos de pequeños a moderados deberían resistir en el rango elástico de los
componentes estructurales sin daños significativos,
• En los procedimientos de diseño se deberán utilizar las fuerzas obtenidas a partir de intensidades de
movimiento del terreno realistas.
• La exposición del puente a grandes movimientos del terreno no debe inducir al colapso del puente o de
parte de sus componentes estructurales.
Las provisiones AASHTO LRFD aplican para el diseño de puentes convencionales y se deberán establecer
las provisiones especiales para las construcciones de tipo no convencional.
Se utiliza como documento complementario de diseño la «AASHTO GUIDE SPECIFICATION FOR LRFD
SEISMIC BRIDGE DESIGN (2009)».

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Puentes Convencionales según AAHSTO LRFD.
Los puentes convencionales incluyen aquellos conformados por losas, vigas, vigas cajón (box girders), superestructuras con celosías, apoyos de una columna o
de múltiple columnas, apoyos tipo muros o infraestructuras con cabezales de pilotes. Adicionalmente, los puentes convencionales son fundados sobre
cimentaciones superficiales, pilotes o losas.
Puentes No Convencionales según AAHSTO LRFD.
Los puentes no convencionales incluyen a los puentes colgantes, superestructuras suspendidas por cables, puentes con torres de celosía, o apoyos huecos para
infraestructuras y puentes tipo arco.

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¿ Por que debo diseñar el puente con filosofía sismorresistente?
Existe clara evidencia documentada de problemas asociados a
comportamiento sísmico deficiente en puentes.
Northridge, Kobe, Loma Prieta, y muchos otros.
¿ Cuales aspectos se deben tener en cuenta en el diseño sismorresistente de la superestructura?
Capacidad de Disipación de Energía. (Ductilidad) Control de Desplazamientos mediante distribución armónica de rigideces de los miembros estructurales.

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Por lo tanto…!
¿ Cuales aspectos se deben tener en cuenta en el diseño sismorresistente de la Infraestructura?
Posibles mecanismos de falla en cimentaciones (Geotécnicas y Estructurales)
Consideraciones de Rigidez en Cimentaciones.
Mecanismos de formación de rotulas platicas en apoyos (piers)

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Amenaza Sísmica del Sitio.
Se obtiene mediante un espectro de respuesta de aceleraciones del sitio y los factores asociados a la clase del sitio.
El espectro de aceleraciones se obtiene a través del «Procedimiento General» especificado por AASHTO, un «Análisis de Respuesta Especifico del Sitio» o
mediante el uso de «Registros Tiempo-Historia de Aceleraciones del Terreno (Time-History)» que permitan caracterizar la amenaza sísmica del sitio.
Amenaza Sísmica
del Sitio.
(AASHTO LRFD)
Procedimiento General
Análisis de Respuesta del Sitio
Análisis Basado en Registros Tiempo‐Historia de
Aceleraciones del Terreno. (Time‐History)
Procedimiento General.
Utiliza la aceleración pico del terreno (PGA) y los coeficientes de aceleración espectral para periodos cortos «Ss» (0.2 seg) y largos «S1» (1 seg) para calcular el
espectro.

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Procedimiento General.
El espectro de diseño con un porcentaje de amortiguamiento
del 5% se construye en función de la aceleración pico del
terreno (PGA) y los coeficientes de aceleración espectral
obtenidos en las graficas anteriores (Ss y S1) que son
escalados mediante factores de sitio para periodos de 0s (Fpga),
periodos cortos (Fa) y periodos largos (Fv).

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Análisis de Respuesta Especifico del Sitio.
El objetivo es el de construir un espectro de respuesta de aceleraciones para una amenaza uniforme considerando un porcentaje de probabilidad de excedencia
del 7% en 75 años. El análisis contempla:
• La contribución de diferentes fuentes sísmicas.
• El limite superior de la magnitud sísmica para cada fuente.
• Relaciones de atenuación para valores de respuesta de aceleración espectral y sus respectivas desviaciones estándar.
• Una relación de magnitud/recurrencia para cada zona de origen.
• Una relación de longitud de rotura de falla para cada falla que participa en el análisis.
Análisis de Respuesta Especifico del Sitio.
Requerido cuando:
• El sitio esta localizado a 6 millas (9.65 Km) de una falla activa.
• El sitio posee mas de 10 ft (3 metros) de turba o arcillas altamente
orgánicas, arcillas de muy alta plasticidad (H > 25 ft con IP > 75) o
espesores de arcillas de medias a blandas de mas de 120 ft.
• Se esperan sismos de gran duración en el sitio.
• La importancia del puente es tal que se debe considerar una
probabilidad de excedencia mas baja (y por lo tanto un mayor periodo de
retorno).

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Análisis de Tiempo-Historia (Time History)
Se podrán utilizar registros de aceleraciones representativos que sean compatibles con el espectro de respuesta Target. Los registros de tiempo-historia deberán
ser escalados mediante procedimientos analíticos demostrados de forma tal de poder alcanzar las ordenadas del espectro de diseño en el rango de importancia.
Se deben utilizar al menos tres registros de aceleraciones tiempo-historia que sean compatibles con el espectro target para componente del movimiento en
representación del diseño de diseño (movimiento del terreno con una probabilidad de excedencia del 7% en 75 años).
Análisis de Tiempo-Historia (Time History)

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Recomendación de Escalatoria de Registros de Tiempo-Historia.
Website: http://ngawest2.berkeley.edu/
Sistemas Resistentes a Sismo (ERS)

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Categoría de Diseño Sísmico según AASHTO LRFD (SDC)
Los puentes serán clasificados según su categoría de diseño sísmico, desde la «A» hasta la «D».
Para la clasificación se toma en cuenta la aceleración espectral de diseño para un periodo de 1 segundo. (SD1).
AASHTO GUIDE SPECIFICATION FOR LRFD SEISMIC BRIDGE DESIGN (2009) AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATION
Categoría de Diseño Sísmico según AASHTO LRFD (SDC)

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Balanceo de Rigideces en Sistemas SDC «D»
Para dos apoyos (bents) dentro de un miembro
(frame) o para dos columnas dentro de un apoyo
(bent).
Miembros de ancho constante:
0.5
Miembros de ancho variable:
0.5
Apoyos (bents) adyacentes dentro de
un miembro o columnas adyacentes
dentro de un apoyo (bent).
Miembros de ancho constante:
0.75
Miembros de ancho variable:
0.75
= Rigidez efectiva menor del apoyo o columna. (kip/in)
= Rigidez efectiva mayor del apoyo o columna. (kip/in)
= Masa tributaria de la columna o apoyo (i) (kip)
=Masa tributaria de la columna o apoyo (j) (kip)
= Periodo de vibración del miembro menos flexible (seg)
= Periodo de vibración del miembro mas flexible (seg)
La razón entre periodos fundamentales de vibración para miembros
(frames) adyacentes en la dirección longitudinal y transversal debe ser:
0.70
Balanceo de Rigideces en Sistemas SDC «D»
Ajuste de propiedades dinámicas y rigideces del puente:
1. Utilizar ejes de pilotes agrandados.
2. Ajustar la longitud efectiva de la columna (fundaciones mas profundas, cajones de aislamiento)
3. Modificar vinculaciones.
4. Reducir y/o redistribuir masa de la superestructura.
5. Modificar la sección transversal de la columna y la relación de refuerzo longitudinal.
6. Agregar o reubicar columnas.
7. Modificar el diseño de las juntas de expansión.
8. Incorporar sistemas de aislamiento o amortiguadores (dispositivos de modificación de respuesta)
En caso de no cumplir con las recomendaciones indicadas anteriormente, se tendrá que desarrollar un cuidadoso análisis de la demanda de ductilidad local y de
las capacidades.

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Clasificación Operacional de Puentes según AASHTO LRFD
El propietario deberá clasificar al puente en alguna de las siguientes categorías:
• Puentes críticos.
• Puentes esenciales.
• Otros puentes.
Los puentes esenciales son aquellos que deberían estar abierto a vehículos de emergencias y con fin de ofrecer seguridad y defensa inmediatamente después
de la ocurrencia de un terremoto, se diseñan para 1000 años de periodo de retorno de eventos.
Los puentes críticos son aquellos que deben permitir el tráfico de vehículo inmediatamente después de la ocurrencia de un terremoto para ser utilizados por
vehículos de emergencia y de defensa. Se diseñan para un periodo de retorno de 2500 años.
En la clasificación operacional de un puente se deben considerar los posibles cambios futuros, condiciones y requisitos.
Requerimientos Mínimos de Análisis para Efectos Sísmicos.
* = No se requiere análisis sísmico.
UL = Método Elástico de Carga Uniforme.
SM = Método Elástico de un modo de vibración
MM = Método Elástico Multi-Modal. (Se efectúa, como mínimo, mediante un análisis dinámico lineal con un modelo en tres dimensiones.
TH = Método de análisis con tiempo-historia.

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Factor de reducción de respuesta R.
Los efectos de la fuerza de diseño sísmico para subestructuras y conexiones
entre partes de la estructura se determinarán dividiendo las fuerzas resultantes
del análisis sísmico elástico por el factor de modificación de respuesta R
apropiado.
Subestructura
Categoría operacional del puente.
Crítico Esencial Otro
Pilar tipo muro (Dimensión mas larga) 1.5 1.5 2.0
“Pile-Bent” de Concreto armado
 Sólo pilotes verticales
 Con pilotes inclinados.
1.5
1.5
2.0
1.5
3.0
2.0
Columnas individuales 1.5 2.0 3.0
“Pile-Bents” de acero o acero-concreto
 Sólo pilotes verticales.
 Con pilotes inclinados.
1.5
1.5
3.5
2.0
5.0
3.0
Pórtico (Bent) de columnas múltiples 1.5 3.5 5.0

Conexiones Todos las categorias
Superestructura al estribo (Abutment). 0.8
Juntas de expansión dentro de un vano de la
superestructura.
0.8
Columnas, pilares o pilotes a las vigas cabezal o la
superestructura.
1.0
Columnas o pilares a la cimentación. 1.0

Combinación Ortogonal de la Acción Sísmica.
Las solicitaciones sísmicas obtenidas según cada uno de los ejes principales de un componente obtenido mediante análisis de las dos direcciones
perpendiculares se deberán combinar como sigue a continuación:
• 100 por ciento del valor absoluto de las solicitaciones en una de las direcciones perpendiculares (longitudinal) combinado con un 30 por ciento del valor
absoluto de las solicitaciones en la segunda dirección (transversal).
• 100 por ciento del valor absoluto de las solicitaciones en la segunda dirección perpendicular (transversal) combinado con un 30 por ciento del valor absoluto de
las solicitaciones en la primera dirección (longitudinal).
Evento extremo I a
Sismo X 1
Sismo Y 0,3
Evento extremo I b
Sismo X 1
Sismo Y -0,3
Evento extremo I c
Sismo X -1
Sismo Y 0,3
Evento extremo I d
Sismo X -1
Sismo Y -0,3
Evento extremo I e
Sismo X 0,3
Sismo Y 1
Evento extremo I f
Sismo X 0,3
Sismo Y -1
Evento extremo I g
Sismo X -0,3
Sismo Y 1
Evento extremo I h
Sismo X -0,3
Sismo Y -1

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Análisis Demanda/Capacidad Basado en Desplazamiento para SDCS (B, C, D)
Se debe satisfacer la siguiente relación:
∆ ∆
∆ = Demanda de desplazamiento obtenida a lo largo del eje principal local del miembro dúctil. La demanda de desplazamiento podría ser obtenido de forma
conservadora como el desplazamiento del apoyo (bent) considerando la contribución de flexibilidad, contribución de las cimentaciones, superestructura o
ambos.
∆ = Capacidad de desplazamiento obtenida a lo largo del eje principal local del miembro dúctil correspondiente a ∆ .
Análisis Demanda/Capacidad Basado en Desplazamiento para SDCS (B, C, D)
Para SDC B:
∆ 0.12 1.27 ln 0.32 0.12
Para SDC C:
∆ 0.12 2.32 ln 1.22 0.12
Dónde:


= Altura libre de la columna (ft)
= Diámetro de la columna o ancho medido paralelo a la dirección del
desplazamiento bajo consideración.(ft)
 = Factor que toma en cuenta la restricción en el extremo de la columna.
= 1 para empotrado-libre (articulado en un extremo)
= 2 para empotrado en el tope y en el fondo.
Capacidad Local al Desplazamiento para SDC D.
El procedimiento estático no-lineal comúnmente denominado análisis de
«pushover» se utilizará para determinar la capacidad al desplazamiento de
una estructura o un miembro a medida que alcanza su limite de estabilidad
estructural.

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Análisis Demanda/Capacidad Basado en Desplazamiento.
Procedimiento general de análisis demanda/capacidad basado en desplazamiento.
1. Se realiza el diseño sin acción sísmica. Resistencia Mínima.
2. Desarrollar el modelo de demanda.
3. Se analiza el modelo para desplazamientos elásticos y se desarrollan las combinaciones direccionales
4. Se determina el máximo desplazamiento permisible.
5. Se compara con la demanda de desplazamientos.
6. Se ajusta el detallado de forma tal que la capacidad exceda la demanda.
7. La capacidad protege a los miembros frágiles.
Análisis Estático No Lineal (Método de Pushover)
El Método de Pushover es un método de análisis lineal
incremental que captura el comportamiento no lineal de los
miembros en su totalidad, incluyendo los efectos del suelo,
empujándolos lateralmente hasta iniciar la acción plástica.
Cada incremento de carga empuja el miembro lateralmente, a
través de todos los posibles estados, hasta que se alcanza el
potencial mecanismo de colapso.
Debido a que el modelo analítico utilizado toma en cuenta la
redistribución de acciones internas de los componentes que
responden inelásticamente, se espera que este procedimiento
provea de una medición mucho mas realista del
comportamiento que puede ser obtenido a partir de
procedimientos de análisis elásticos.

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Consideraciones de diseño en columnas en la región de las rotulas plásticas.
Mayor confinamiento lateral será suministrado en columnas y pilares a lo largo de la región de la rotula plástica, Lpr. Esta región Lpr será
la mayor entre:
• 1.5 veces la dimensión de la sección transversal en la dirección de flexión.
• La región de la columna donde la demanda por momento excede el 75% del máximo momento plástico.
• La longitud analítica de la rotula plástica, Lp, determinada según AASHTO.
Efectos P-∆
Los puentes sometidos a sismos pueden ser susceptibles a la inestabilidad debido a los efectos P-∆, una fuerza inadecuada puede resultar en una falla
estructural, causando excesivas demandas de ductilidad en las rotulas plásticas de columnas o pilas, grandes deformaciones residuales y posiblemente el
colapso.
El desplazamiento de cualquier columna o pilar en cualquier dirección longitudinal o transversal deberá cumplir que:
∆ 0.25. ∅
Donde:
∆ ∆
Sí 1.25 :
1
1 1,25 1
Sí 1.25 :
1
∆ Desplazamiento del punto de inflexión en la columna o pilar con relación al punto de empotramiento de la fundación.
∆ Desplazamiento calculado a partir del análisis estático sísmico.
Periodo de vibración fundamental.
Periodo en el cual el espectro pasa de ser independiente del periodo a ser inversamente proporcional al periodo ( ). (seg)
Factor de reducción de respuesta.
Carga axial última de la columna o pila.
∅ Factor de minoración de resistencia.
Momento nominal de la columna o pila.

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Ancho Mínimo de Apoyo de Tableros. (SDC A, B, C)
El ancho de asiento de un puente se podrá calcular empíricamente como sigue a continuación:
200 0,0017 0,0067 1 0,000125
Donde:
Longitud mínima del apoyo medida de forma normal al eje de apoyo. (mm)
Longitud del tablero del puente hasta la junta de expansión adyacente, o hasta el extremo
del tablero. (mm)
Altura promedio de las columnas que soportan el tablero del puente hasta la siguiente junta
de expansión. (mm)
Oblicuidad del apoyo medida a partir de una recta normal al tramo. (°)
Para SDC D.
4 1.65∆ 1 0.00025 24
∆ = Demanda de desplazamiento sísmico del miembro de periodo largo en un lado
de la junta de expansión
Ancho Mínimo de Apoyo de Tableros.

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CLASIFICACION DE PUENTES EN CONCRETO ARMADO
1. Puentes de Losa
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y CONSTRUCTIVAS
3. Puentes de Vigas
2. Puentes con Vigas Cajón
CLASIFICACION DE PUENTES EN CONCRETO ARMADO
1. Puentes de Losa
3. Puentes de Vigas
2. Puentes con Vigas Cajón

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LUCES RECOMENDADAS SEGÚN TIPOLOGIA DE PUENTE.
Los sistemas de vigas se usan habitualmente para tramos pequeños y medianos.
Los sistema de arco se usan principalmente para grandes luces.
Los sistemas de puentes suspendidos se utilizan para luces muy largas.
Para puentes de concreto armado:
• Para luces de hasta 130ft (39m) se recomiendan un sistema de vigas.
• Para luces que oscilan entre los 130ft (39m) y 200ft (60m), se pueden usar tanto un sistema de arco como de viga.
• Para luces largas, se recomienda usar un sistema de arco. Luces mayores a 160ft (48m)
LUCES RECOMENDADAS SEGÚN TIPOLOGIA DE PUENTE (CONCRETO ARMADO)
LINEAMIENTOS PARA EL DISEÑO DE PUENTES EN CONCRETO ARMADO Y PRECOMPRIMIDO
Simplemente apoyados. Luz (m)
Losa 6 -12
Vigas T 12-24
Placa sólida en arco 12
Vigas curvadas en arco 18
Continuos Luz (m)
Losa, 2 tramos
9-9
12-12
Losa, 3 tramos 8-8-8
Pórtico sólido 12
Aporticados de vigas T 16
Vigas T, 2 tramos
15-15
21-21
Vigas T, 3 tramos 12-15-12 a 15-21-15
Cajón, 3 tramos 18-24-18 a 23-27-23

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LUCES RECOMENDADAS SEGÚN TIPOLOGIA DE PUENTE (CONCRETO PRECOMPRIMIDO)
Simplemente apoyados Luz (m)
Losa 9-12
Losa con alveolos 9-15
Doble TEE 12-18
Cajón cerrado vaciado en sitio 38
Viga AASHTO 15-30
Vigas I 18-36
Vigas Cajón 24-36
Continuos Luz (m)
Losa 10-10 a
12-15-12
Losa con alveolos 15-21-15 a 32-32
Vigas AASHTO 25 a 32
Vigas AASHTO Postensadas 30-30
Cajón 20-20 a 61-61
FILOSOFIA DE DISEÑO DE PUENTES EN CONCRETO ARMADO SEGÚN AASHTO LRFD BRIDGE
Predimensionado de Tableros
Superestructura Altura mínima (incluyendo la losa de tablero)
Material Tipo Tramos simples Tramos continuos
Concreto Armado
Losas con armadura principal paralela al tráfico 1.2 L 10
30
L 10
30
0.54
Vigas T 0.070 0.065
Vigas cajón 0.060 0.055
Vigas de estructuras peatonales. 0.035 0.033
Concreto Pretensado
Losas 0.030 6.5 0.027 6.5
Vigas cajón coladas en sitio 0.045 0.040
Vigas doble T prefabricadas 0.045 0.040
Vigas de estructuras peatonales 0.033 0.030
Vigas de cajón adyacentes 0.030 0.025

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PUENTES SEGMENTALES. (Free Cantilever Method. FCM)
MIDAS Civil, 2016

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Componentes típicos de Puentes Convencionales
Barandas:
Se instalan a lo largo del borde de las estructuras de puente cuando existen
pases peatonales, o en puentes peatonales, para protección de los usuarios.
Una baranda puede ser diseñada para usos múltiples (caso de barandas
combinadas para peatones y vehículos) y resistir al choque con o sin la acera.
Pavimento. (Art. 2.3.2.2.4)
El pavimento de la vía se dispone en la superficie del puente y accesos, y puede
ser rígido o flexible. El espesor del pavimento se define en función al tráfico
esperado en la vía. Según la norma las superficies de rodamientos sobre un
puente deben poseer antideslizantes, drenaje y peralte.
Losa de transición. (Art. 2.5.2.4)
En caminos pavimentados se debe disponer de una losa estructural de
transición entre el acceso y el estribo del puente.
Las losas de transición son la solución más frecuente para asegurar un
paso suave desde el terraplén de acceso que es una zona flexible a otra
zona más rígida que es la constituida por la estructura de paso (Puente).
El objetivo de esta losa es amortiguar las diferencias de asentamiento que
existen entre el estribo del puente y los terraplenes
Componentes típicos de Puentes Convencionales
Diafragmas o Separadores:
Un puente multivigas debe estar provisto de diafragmas o separadores. Los diafragmas son elementos estructurales diseñados para soportar las deformaciones
laterales y transversales de las vigas de la superestructura de un puente.

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Control de Deformaciones
Estados límites de servicio (Art. 9.5.2).
En los estados límites de servicio los tableros y sistemas de tableros se deberán analizar como estructuras completamente elásticas.
Se deberán considerar las deformaciones excesivas que puedan originarse en el tablero con el objetivo de impedir la pérdida y desgaste de la superficie de
rodamiento.
Para los sistemas de tableros la flecha provocada por la sobrecarga y el incremento por carga dinámica no deberá ser mayor a los siguientes valores:
• 800⁄ para tableros sin tráfico peatonal.
• 1000⁄ para tableros con tráfico peatonal limitado.
• 1200⁄ para tableros con tráfico peatonal significativo.
En los tablero de concreto se deberán investigar los estados límites de fatiga.
FILOSOFIA DE DISEÑO DE VIGAS DE CONCRETO PRECOMPRIMIDO
Elementos pretensados
El pretensado se logra cuando el refuerzo se tensa antes del
vaciado. Una vez endurecido el concreto se libera dicha tensión,
luego la armadura tratará de volver a su estado original,
transmitiendo esfuerzos de compresión al concreto por adherencia,
luego el peso propio más la carga externa contrarrestan el
presfuerzo inducido, resultando un mínimo estado de esfuerzos
para la viga
Elementos Postensados
En el postensado el refuerzo se tensa después de que el concreto ha fraguado. Antes
de vaciar se colocan tubos o conductos conteniendo el acero sin tensionar. Una vez
que el concreto ha fraguado se tensiona el acero mecánicamente mediante sistemas
de anclaje en los extremos del elemento para que se mantengan tensionados, de
manera que se transmite la compresión al concreto por los extremos y no por
adherencia, luego se inyecta en el ducto una lechada que puede ser de productos
adherentes o no adherentes para proteger y fijar el tendón dentro del ducto.

19/04/2016
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19/04/2016
25
Diseño Estructural de Vigas de Apoyo de Tableros
MIDAS Civil, 2016
Diseño Estructural de Vigas de Apoyo de Tableros

19/04/2016
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Diseño Estructural de Columnas o Pilares
Las pilas de los puentes, también conocidos como apoyos centrales, son miembros estructurales que tienen la función de brindar apoyo vertical al puente. La
diferencia entre las pilas y estribos reside, principalmente, en su ubicación, ya que los estribos se ubican en los extremos del puente, mientras que las pilas
se ubican en los tramos centrales.
Diseño Estructural de Columnas o Pilares
Control de acero transversal.
0.45 1
Figura a b c d e f
Valor
teórico de K
0.5 0.7 1.0 1.0 2.0 2.0
Valor de
diseño de K
0.65 0.80 1.0 1.2 2.1 2.0
Consideraciones de Esbeltez
Para miembros no arriostrados contra deformaciones laterales, se puede obviar el
efecto por esbeltez, si:
22
Consideraciones de Longitud Efectiva (KL)

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Diseño Estructural de Columnas o Pilares.
Diseño en Flexocompresión Uniaxial.
Uso de Diagramas de Interacción.
Diseño Estructural de Columnas o Pilares.
Diseño en Flexocompresión Biaxial
Uso de Superficies de Interacción.

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19/04/2016
29
HERRAMIENTAS DE DETALLADO EN CONCRETO ARMADO (SOFTWARE TEKLA). Cortesía de la Empresa Construsoft.

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