TRABAJO DE TITULACION Departamento de Ingeniería En Obras Civiles

1. ANÁLISIS DE COSTO EN SUPERESTRUCTURAS DE PUENTE CARRETERO, UTILIZANDO ACERO HPS-70W Y MÉTODO DE DISEÑO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA. TRABAJO DE TITULACION Departamento de Ingeniería En Obras Civiles OBJETIVO Llevar a cabo un análisis de costo en puentes de acero variando la materialidad de la superestructura, para lo cual se considera un puente de geometría regular (según AASHTO) “Puente Tinguiririca” (Figura Nº 1) constituido por una superestructura proyectada en base a vigas simplemente apoyadas, materializadas en acero de alta resistencia (A52-34ES) y diseñado por el método de tensiones admisibles ASD (según la AASHTO, Standard Specifications for Highway Bridges). Este proyecto original será rediseñado con alternativas de diseño usadas en USA, por medio del método de diseño “AASHTO LRFD” usando un acero no utilizado en Chile y que es una nueva alternativa desarrolladoen la última década en éste país (HPS-70W o Acero de Alto Comportamiento Grado 70, resistente a condiciones ambientales). Figura Nº 2. Ilustración de los grupos de diseños propuestos según el acero utilizado. Debido a que el nuevo acero aún se encuentra en un mercado no desarrollado, su precio hace que sea necesario optar por diseños alternativos para su uso como escon vigas híbridas. De esta forma, este estudio busco soluciones que modificaran la estructuración original con el fin de lograr beneficios directos e indirectos de costo asociado a la fabricación de puentes de acero en Chile. Siguiendo las tendencias de los diseños realizados en USA, las cuales señalan que la mejor alternativa para el uso delHPS-70W es en los diseños híbridos, sólo éste tipo de secciones se ocupa para modificar la estructuración original del puente (aumento de vigas en la sección del tablero y/o aumento de longitud de los tramos).Si bien en Chile aún no existe la confianza para optar por diseños híbridos y producto de la incertidumbre que existe para su uso debido a la diferencia en laresistencia de fluencia de los aceros utilizados en alas (4920 [kg/cm2])y alma (3515 [kg/cm2]), se realiza un análisis de elementos finitos de una de las vigas diseñas a través de la modelación de ésta en SAP2000 (Figura Nº 3).El resultado de estamodelación indica, como se observa en la se observa en la gráfica,que la las fibras traccionadas más extremas del alma no alcanzan la fluencia, exceptos en zonas de mínima altura de alma y bien localizadas, a pesar de que el ala traccionada de la viga se encuentra al límite de sobrepasar su resistencia a la fluencia. Figura Nº 1. Sección transversal del tablero del Puente Tinguiririca (cm). • RESUMEN • Frente a las exigencias de un país en vías de desarrollo, que busca nuevas y mejores tecnologías disponibles en el mercado mundial y de esta forma entregar productos a la altura de estándares internacionales, surge la necesidad de realizar estudios comparativos que entreguen resultados a nivel técnico y de costos de un aceros típico (A52-34ES) en superestructuras de puentes carreteros de Chile, frente a una alternativa extranjera. • La primera etapa de este estudio esta relacionada al conocimiento de aceros de alto comportamiento (HPS-70W), proporcionando los antecedentes necesarios para su utilización en el mercado nacional, basados principalmente en información bibliográfica obtenida desde organismos relacionados a la investigación, fabricación y diseño de acero en USA. Una vez estudiadas las propiedades y características de los aceros de alto comportamiento, se lleva a cabo la segunda etapa de este estudio con el objeto de estudiar el método de diseño LRFD, y la posteriormente se desarrolla una planilla de cálculo que automatiza y que permite optimizar por medio de iteraciones el diseño de vigas de acero homogéneas e híbridas, basada en la AASHTO LRFD. • En una tercera etapa de este estudio se proponen alternativas de diseño que puedan ser competitivas en el peso y costo de la superestructura original. Con este propósito se realizan siete diseños alternativos (Figura Nº 2), dos diseños homogéneos y cinco diseños híbridos con y sin variación de la estructuración original encasillados en los siguientes tres grupos: • Diseño de vigas homogénea materializada en acero A52-34ES. • Diseño de viga homogénea materializada en acero HPS-70W. • Diseño de vigas híbridas materializadas en A52-34ES (Alma) y HPS-70W (Alas). • Los diseños anteriormente mencionados entran a un análisis comparativo de resultados, considerando el peso y el costo de los diseños propuestos respecto a la estructura original “Puente Tinguiririca”. Para determinar del costo de los diseños propuestos se realizó una cotización por medio de maestranza Metalúrgica FAT S.A. Figura Nº 3. Análisis por elementos finitos de un diseño híbrido. CONCLUSIONES Respecto a la comparación entre los métodos de diseño, este estudio confirma los resultados de otros estudio, con vigas homogéneas en acero A52-34ES, que indican que el método LRFD genera reducciones por sobre el 11% del peso de las vigas y de la superestructura, respecto a un diseño ASD. Por otra parte, los diseños híbridos generan disminuciones en el peso de vigas y total de la superestructura orden del 21% respecto a diseños ASD. En relación a diseños LRFD, las vigas híbridas reducen el peso en un 11.5%. Cuando se compara estructuraciones de tres vigas con el puente original, se obtienen reducciones del 3.8%. Por los tanto, los diseños híbridos son convenientes debido a que aumentan la seguridad sísmica al disminuir considerablemente la masa sísmica, lo que equivale a menores desplazamientos de la superestructura y menores esfuerzos de corte basal, además que debieran generar disminución en los costos de transporte, montaje y las fundaciones. Sin embargo, los diseños híbridos generan disminuciones (6.1%) en los costos, respecto al diseño original, pero poco significativas respecto a los diseños homogéneos A52-34ES (11.5%). Pero al estructurar tramos de luces mayores (60 [m]) con vigas híbridas, se pueden generar indirectamente ahorros importantes en el proyecto al reducir cepas, que tengan alturas mayores a 9 y 15 [m] para estructuraciones de 3 y 4 vigas respectivamente. Por lo tanto, se recomienda el uso del HPS-70W en vigas híbridas mientras se mantenga el mercado de este acero en estado no desarrollado. Además, por seguridad estructural y sísmica es preferible estructuraciones con tres vigas híbridas. Y, ya que al optimizar el uso de acero en las alas resultan vigas híbridas de mayor peralte (2 a 2.4 [m]), se recomienda usar vigas híbridas con HPS-70W en puentes carreteros y donde exista suficiente espacio para el superestructura. Tabla Nº 2. Esquematización de los diseños realizados. ALUMNOS: Profesor Guía: Freddy Piña Burgos. Fecha y hora de Examen de Grado: 28 de mayo de 2004 HÉCTOR RODRIGO JOSÉ LUIS 12:00 hrs. GONZÁLEZ MOLINA SALVATIERRA GARRIDO