2. calibración del camión de diseño cc 14 - juan francisco correal

Presentación de la Norma Colombiana de Diseño
de Puentes LRFD CCP 14
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
Comité AIS-200

1. Introducción
2. Definición de las tipologías de puentes del
estudio
3. Calibración de modelo computacional
4. Comparación AASHTO vs. CCP-95
5. Índice de confiabilidad estructural para puentes
6. Carga Viva de Diseño CCP 2014
Contenido

Estudios Anteriores en Colombia:
• 1982- “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
1. Introducción

• 1988- Se adoptó por MOPT un camión denominado
3S2 para el diseño de puentes (Mayoración del Camión
AASHTO y Línea de Carga).
• 1995- 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.
1. Introducción

• 1996- “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.
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).
• 1994 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).
1. Introducción

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.

1. Introducción
+
9.34 kN/m
35.6 kN 142.3 kN 142.3 kN
4.3m 4.3 a 9.1 m
Longitud que produce las
máximas solicitaciones
111.2 kN 111.2 kN
1.22 m
+
9.34 kN/m
Longitud que produce las
máximas solicitaciones
AASHTO LRFD HL93:
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.

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

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

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

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/m2
Si aplica, vigas separadas 2.90m con voladizos de 1.45m
Peso especifico del concreto reforzado: 23.54 kN/m3

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.

Reproducir las figuras del código AASHTO relacionadas
con los efectos producidos por la carga viva.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Luz (m)
Relaciondemomentosenelcentrodelaluz(MHL93/MHS20)
CALCULADO
AASHTO

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Luz (m)
Relacióndemomentosa0.4L(MHL93/MHS20)
CALCULADO
AASHTO

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Luz (m)
RelacióndeCortantespositivosenlosapoyos(VHL93/VHS20)
CALCULADO
AASHTO

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.

0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Luz (m)
Relacióndemomentos(MHL93/MC40-95) Mss CV
Mss con I y Factores de combinación
Mss con todos los Factores
Mss Ult CV+CM
Mss ult CV+CM = Mu (I,m,FD, g)/f

0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Luz (m)
Relacióndemomentos(MHL93/MC40-95)
Mss CV
Mss con I y Factores de combinación
Mss con todos los Factores
Mss Ult CV+CM
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Luz (m)
Relacióndemomentos(MHL93/MC40-95)
Vss CV
Vss con I y Factores de combinación
Vss con todos los Factores
Vss Ult CV+CM
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Luz (m)
Relacióndemomentos(AASHTO/CCDSP)
M+ CV
M+ con I y Factores de combinación
M+ con todos los Factores
M+ Ult CV+CM
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Luz (m)
Relacióndemomentos(AASHTO/CCDSP)
M- Sin Factores
M- Sin FDist
M- con Factores
M- Ult

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

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
Rn=Ru/f
Por ejemplo: Mn =Mu/f , Vn =Vu/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)

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

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 1999.
Parámetros de la carga muerta
bias COV
Factory-made members 1.03 0.08
Cast-in-place members 1.05 0.10
Wearing surface 1.00 0.25

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

Ejemplo de cuatro realizaciones de la simulación

Tipo de Camión INVIAS
Qué tipos de camiones pasan? Con qué distribución?

Tipo de Camión Permitidos por el INVIAS
Camión C2 Camión C3
Camión C2-S3 Camión C3-S2
Camión C3-S3

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%
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%
Críticos

Distribución del tráfico por Departamento

Peso de los camiones
W1,1 W1,2 W2,1 W2,2 W2,3 W3,1 W3,2 W3,3
Cuál es la carga en cada eje?

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.

Distancia entre Camiones
W1,1 W1,2 W2,1 W2,2 W2,3 W3,1 W3,2 W3,3
d1,2 d2,3
Cuál es la distancia entre camiones?
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):

Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)
Momento en Puentes Simplemente Apoyados

Momento Positivo en Puentes 2 Luces

Momento Negativo en Puentes 2 Luces

Cortante en Puentes Simplemente Apoyados

Cortante en Puentes 2 Luces

6.Carga Viva de Diseño CCP 2014
Tandem + línea de 10.3 kN/m
Nota: para M(-) y Rapoyos 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.
Carga de Carreteras CC 14
Camión + línea de 10.3 kN/m

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 683 2011), ( 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).

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