¿Un puente de carretera experimenta más carga cuando los vehículos están estacionados o cuando se mueven?

Los puentes están diseñados para las cargas que provienen de los vehículos que se espera que los crucen. Esto incluye el peso del vehículo y cualquier carga dinámica que pueda introducirse por el movimiento del vehículo. Las cargas dinámicas pueden ser por "rebote" o por golpear una junta o un bache.

Inicialmente, parecería obvio que se aplica más carga a un puente mientras los vehículos están en movimiento (peso del vehículo más carga dinámica). Las cargas dinámicas son proporcionales a la velocidad de desplazamiento de los vehículos, pero a medida que los vehículos van más rápido, generalmente están más separados.

Cuando los vehículos se detienen, generalmente están mucho más cerca que cuando se mueven.

• ¿Puede haber una situación en la que haya más carga en un puente debido a los vehículos estacionados muy cerca que a los vehículos en movimiento que están más separados?
• ¿Estas dos situaciones están cubiertas en el diseño del puente?

Vehículos estacionados vs vehículos en movimiento

Los vehículos estacionados muy cercanos (o de movimiento lento) son definitivamente más onerosos, como se indica en la página 89, Apéndice 2.A, Cláusula 2.A.1 del código de diseño del puente sudafricano TMH7 :

En general, se acepta y se puede demostrar fácilmente que, excepto en el rango de tramo muy pequeño, la peor condición de carga se produce en condiciones congestionadas (parachoques a parachoques) causadas por un bloqueo del tráfico y que la dispersión del tráfico a la velocidad causada por el aumento de la interferencia vehicular espaciado, más que compensar los efectos del impacto.

Sin embargo, esto solo es cierto mediante la inspección de un número ilimitado de vehículos del mismo peso por unidad de longitud. Si un vehículo extremadamente pesado inusual está cruzando un puente, entonces no podemos aplicar esta regla, ya que solo tenemos uno de este vehículo y no puede ser parachoques para sí mismo. Por lo tanto, recurrimos a los códigos de diseño de puentes para considerar configuraciones relevantes.

Códigos de diseño de puentes

Cuando se trata de diseño de puentes, cada país parece tener su propia carga de puentes en su código de diseño. He leído muchos de estos códigos: una proporción significativa de mi trabajo es programar estos códigos de carga de puentes en el software de diseño de puentes. La mayoría de los códigos de diseño tienen varias configuraciones de carga para verificar, aunque rara vez especifican que son para "vehículos estacionados" o "vehículos en movimiento". Lo más cercano que conozco es el estándar BD86 del Reino Unido .

BD86 es para evaluar los puentes existentes en el Reino Unido para transportar vehículos excepcionalmente pesados ​​(denominados cargas SO o SOV). Las cláusulas 3.20 a 3.25 dan dos configuraciones diferentes. O bien (i) el SO / SOV se mueve a velocidad normal, con un factor dinámico, y la carga normal no está permitida dentro de los 25 m del SO / SOV; o (ii) el SO / SOV se mueve a baja velocidad, sin factor dinámico, pero la carga normal se permite más cerca (no dentro de los 5 m).

Pero, ¿qué pasa con todos los demás estándares de diseño en todo el mundo? Sobre la base de que no he oído hablar de ningún puente que falle debido a que la carga de diseño estándar es demasiado baja, creo que es una suposición segura de que los estándares de diseño definitivamente consideran el peor de los casos. Por lo tanto, sea lo que sea para lo que está diseñado, debe representar el peor de los casos, ya sea de carga en movimiento o de carga estática muy espaciada.

Los estándares de carga en carretera de la mayoría de los países consideran dos configuraciones que deben diseñarse para: una configuración de un solo vehículo (o un solo vehículo por carril), y una configuración de una carga distribuida uniformemente (es decir, una carga por área que se aplica donde sea que se agregue para el efecto diseñado para). Esta segunda configuración podría ser los vehículos estacionados muy cerca, o podría representar muchos camiones / camiones separados pero su peso promedio sobre la longitud total. Sospecho que de hecho puede representar ambas situaciones.

Un hecho importante aquí es el peso relativo de un camión / camión en comparación con un automóvil. En el Reino Unido, un camión normal (es decir, uno que no requiere un permiso especial para su viaje) tiene un peso máximo de 44 toneladas métricas y una longitud de aproximadamente 12 m. Esto da 3,7 t / m. Un automóvil típico (he elegido el Vauxhall Astra) mide aproximadamente 2 toneladas y 4,5 m de largo, lo que da 0,45 t / m.

Sugiero que en una situación de carga en movimiento, es posible que los camiones / camiones estén bastante bien espaciados, pero en una situación de atasco de tráfico, cuando los camiones y los automóviles tienden a mezclarse, el espacio entre los camiones y los camiones es casi el mismo porque los espacios están llenos de automóviles. . Con los automóviles produciendo poca carga por longitud en comparación con un camión / camión, la carga promedio por unidad de longitud puede ser aproximadamente la misma, ya sea que el tráfico se mueva o esté estacionado.

Aunque se trata desde un ángulo diferente, creo que el Manual de AASHTO para la evaluación de puentes; la cláusula del comentario C6B.7.2.2 implica algo como esto. Dice:

La probabilidad de tener una serie de vehículos pesados ​​estrechamente espaciados del peso máximo permitido aumenta a medida que el peso máximo permitido para cada unidad disminuye. Es decir, es más probable que tenga un tren de vehículos livianos que tener un tren de vehículos pesados.

Yo asumo esto se puede aplicar a la situación estacionado / movimiento. Es decir, cuantos más vehículos tenga en el puente a la vez, menor será el peso promedio probable del vehículo.

Lo que es más significativo depende del puente en cuestión, ciertamente su longitud y las características de la carga aplicada. Para esta discusión, estoy asumiendo la carga del tráfico de la autopista.

La pregunta se refiere a los efectos dinámicos, y vale la pena señalar que esto es más que solo el impacto de golpear un bache. Si una viga simple elástica de un solo tramo se carga instantáneamente con una fuerza, la desviación máxima que resulta es el doble de la desviación bajo la misma fuerza en el caso estático, y este efecto no está relacionado con el efecto de los picos instantáneos en la carga aplicada debido a los vehículos que golpean irregularidades de la superficie (baches, etc.).

Para la mayoría de los puentes de carreteras, creo que el efecto dinámico es más significativo. El tráfico rápido pero espaciado es más oneroso que el tráfico lento y agrupado. Sin embargo, esta conclusión se basa en la observación de que hay más puentes cortos (tramos de hasta decenas de metros) que puentes largos; no existe un principio general que dé una respuesta universal.

Es relativamente simple determinar que para un puente muy corto si el tráfico está haciendo cola o no es irrelevante; si el puente es más corto que un vehículo, solo un vehículo (o un eje) estará en el puente, así que si hay una cola o no no influye en el número de vehículos que cargan la estructura o la carga. Por el contrario, es fácil imaginar que un puente muy largo (varios cientos de metros de largo), un vehículo golpeando un bache tendrá un efecto insignificante, ya que incluso si la carga de ese vehículo se duplica instantáneamente, si hay cientos de vehículos en la cubierta No tendrá un efecto proporcionalmente bueno.

En la práctica del Reino Unido, los puentes de carreteras troncales se diseñan y evalúan según los documentos de la Agencia de Carreteras (los denominados 'BD's y' BA's). La carga de la carretera vehicular es en dos 'sabores': HA es tráfico 'normal' y HB es una carga arbitraria utilizada para examinar las características del puente bajo carga anormal. La carga de HA para el diseño se define en BD37 y la derivación incluye la posibilidad de impacto: lea el Apéndice A: "el efecto de impacto de un eje en puentes de carretera puede ser tan alto como el 80% del peso estático del eje y se hizo una tolerancia de esta magnitud en derivar la carga de HA ", aunque la influencia del impacto se reduce a medida que el lapso se hace mayor.

Las colas de tráfico no solo dan lugar a la acumulación de nariz a cola, sino que potencialmente dan lugar a vehículos que se acercan más de lado a lado. En los BD esto se conoce como 'agrupamiento lateral', que es donde más vehículos se apiñan en la estructura.

BD37 permite el impacto y el agrupamiento lateral simultáneamente, es decir, supone que tiene un atasco de tráfico muy apretado que también viaja a alta velocidad. Obviamente, esto no sucede, pero es lo que encapsula el código.

Sin embargo, al evaluar las estructuras existentes, los estándares del Reino Unido no aplican ambos efectos juntos. BD21 es el código para evaluar estructuras. La cláusula 5.23 aborda específicamente esta pregunta (UDL y KEL son dos componentes de la carga de HA):

"El HA UDL y KEL se han derivado utilizando un factor de agrupamiento lateral para tener en cuenta la posibilidad de que, en situaciones de movimiento lento, más carriles de tráfico que los carriles marcados o nocionales puedan usar el puente. El análisis probabilístico muestra que los efectos de impacto máximo, que ocurren a altas velocidades, no deben considerarse junto con la agrupación lateral máxima. La comparación de los efectos de la velocidad de tráfico alternativa y las situaciones de agrupamiento han llevado a la conclusión de que el efecto de alto impacto de alta velocidad sin agrupamiento lateral es el criterio más oneroso para la carga del puente Por lo tanto, el HA UDL y el KEL se deben ajustar para eliminar el factor de agrupamiento lateral dividiéndolo por el siguiente Factor de Ajuste (AF) "

El factor de ajuste es un número relativamente grande para longitudes cargadas de hasta 20 m, pero se reduce a 1.0 (es decir, divida por 1.0, así que no cambie el valor) a 40 m de longitud cargada.

No es posible hacer declaraciones definitivas a partir de esto (es decir, no se puede decir "por debajo de 20m es dinámico, por encima de 40m es colas de tráfico"), porque la carga es hasta cierto punto empírica y derivada después de un análisis probabilístico, e incluye conjeturas ( descrito como "por estimación" en el estándar) con margen para los resultados del análisis de sensibilidad. Nuevamente, BD37 1 Apéndice A tiene una discusión sobre esto:

"Para largos tramos cargados, los principales factores que afectan la carga son los caudales de tráfico, el porcentaje de vehículos pesados ​​en los flujos, la frecuencia de ocurrencia y la duración de los atascos y el espaciamiento de los vehículos en un atasco. Estos parámetros se determinaron estudiando el patrones de tráfico en varios sitios en carreteras troncales, mediante encuestas de carga en otros sitios y, donde los datos requeridos no se podían obtener, por estimación. Se adoptó un enfoque estadístico para derivar cargas características de las cuales se obtuvieron cargas nominales. Se realizaron análisis de sensibilidad para probar la importancia en la carga de algunas de las suposiciones hechas ".

Vale la pena señalar que lo anterior es un poco no riguroso con respecto a los tramos. La longitud que importa con respecto a la derivación de carga es la 'longitud cargada', que no siempre es lo mismo que el tramo. Para un solo tramo con soporte simple, si está examinando el efecto de flexión, los dos son sinónimos, pero muchos puentes son más complejos que eso (por ejemplo, múltiples tramos continuos o pilares integrales, etc.). La longitud cargada es la longitud sobre la cual se carga el elemento de estructura, y al diseñar debe elegir la longitud que da lugar al efecto más oneroso para el elemento que está diseñando para hacer los cálculos con respecto a ese elemento en particular. Esto suele ser la longitud total de un tramo, pero hay casos en los que (por ejemplo) cargar una longitud más corta tiene un efecto mayor, particularmente en estructuras continuas,

Si solo está hablando de carga vertical en vivo, el caso en que tenga un atasco de tráfico sería más relevante para el diseño de la cubierta del puente . El aumento y la disminución momentáneos en la fuerza vertical debido a los golpes de la carretera desigual pueden descuidarse ya que:

• la magnitud sería pequeña para una carretera mantenida adecuadamente
• la magnitud aún sería pequeña para una carretera mal mantenida ya que los conductores tienden a reducir la velocidad si tienen dificultades para conducir en línea recta
• tales ocurrencias esporádicas tienden a cancelarse globalmente ya que no ocurren en sincronía

Un código de diseño de puente de autopista establecido como BD37 no hace ninguna consideración explícita por los baches dinámicos que mencionó.

Cuando hay vehículos que se mueven en el puente, los efectos de tracción y frenado generarían una fuerza horizontal longitudinal que rige el diseño de la subestructura del puente .

Mediante el uso adecuado de combinaciones de carga (como se muestra en la tabla a continuación) y sus factores de carga correspondientes que ya se han estudiado y probado rigurosamente, es posible que todos los escenarios de carga se consideren para lograr un diseño seguro.