MODELO DE CARGAS VIVAS VEHICULARES PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DE PUENTES EN BOLIVIA

Pag. 1. INTRODUCCIÓN 1 1.1. Presentación y formulación de problema 2 1.2. Justificación 3 1.3. Objetivos 3 1.4. Hipótesis 4 2. MARCO TEÓRICO (ESTADO DEL ARTE) 5 2.1. Marco teórico contextual 5 2.2. Marco teórico conceptual 9 3. METODOLOGÍA 14 3.1. Diseño: Análisis cuantitativo y cualitativo 14 3.2. Población, muestra y estadística 14 4. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN 15 4.1. Recopilación y análisis de datos de pesaje vehicular en Bolivia 15 4.2. Simulación de variables aleatorias de las distancias entre ejes d1 y d2 39 4.3. Cálculo y análisis de elementos mecánicos a distintas luces. 44 4.4. Comparación de elementos mecánicos máximos de las configuraciones vehiculares principales con las especificaciones de la AASHTO LRFD 78 4.5. Diseño conceptual del modelo de cargas vivas vehiculares en Bolivia 81 4.6. Análisis estadístico correlacional y regresión de los datos para validación del modelo conceptual. 82 4.7. Análisis inferencial de las cargas vivas vehiculares para la asignación de cargas del modelo conceptual 96 4.8. Cálculo de las separaciones de cargas del Modelo Virtual 109 4.9. Determinación de factor de carga y definición del Modelo Virtual de Cargas Vivas Vehiculares 110 4.10. Determinación de la carga uniformemente distribuida mediante métodos estocásticos. 112 4.11. Validación del modelo de carga viva, Camión de Diseño BL-23 120 4.12. Factores de Carga Viva, Presencia Múltiple de Cargas Vivas, Efecto dinámico de la Carga Viva Vehicular. 130 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 133 5.1. Conclusiones 133 5.2. Recomendaciones 135 BIBLIOGRAFÍA 136 LISTA DE TABLAS Pag. Tabla 1: Configuraciones vehiculares predominantes 15 Tabla 2: Configuraciones vehiculares incluidas en el análisis 17 Tabla 3: Valores promedio de peso bruto total y porcentaje de vehículos que exceden el límite permitido por la Ley N°441 18 Tabla 4: Valores promedio de peso en P1 y porcentaje de vehículos que exceden el límite permitido por la Ley N°441 21 Tabla 5: Valores promedio de peso en P2 y porcentaje de vehículos que exceden el límite permitido por la Ley N°441 21 Tabla 6: Valores promedio de peso en P3 y porcentaje de vehículos que exceden el límite permitido por la Ley N°441 21 Tabla 7: Coeficientes de correlación múltiple, Elementos Mecánicos vs P1 93 Tabla 8: Coeficientes de correlación múltiple, Elementos Mecánicos vs P2 94 Tabla 9: Coeficientes de correlación múltiple, Elementos Mecánicos vs P3 94 Tabla 10: Coeficientes de correlación múltiple, Elementos Mecánicos vs d2 94 Tabla 11: Resultado de Ecuaciones de Regresión Múltiple aplicando cargas unitarias 95 Tabla 12: Probabilidades de no excedencia, q 108 Tabla 13: Cargas Virtuales calculadas para un Periodo de diseño de 50 años 108 Tabla 14: Cargas virtuales adoptadas para P1, P2 y P3 109 Tabla 15: Distancias entre ejes de las diferentes configuraciones 109 Tabla 16: Distancias adoptadas para el Modelo Virtual 110 Tabla 17: Probabilidad de excedencia de los Vehículos Reales 112 Tabla 18: Vehículos Reales para una probabilidad de no excedencia de 50 años 112 Tabla 19: Momentos y Cortantes Máximos debidos al Camión de diseño BL-23 113 Tabla 20: Ecuaciones para cálculo de la carga distribuida 113 Tabla 21: Cargas uniformemente distribuidas 119 Tabla 22: Elementos Mecánicos Máximos para Validar el Modelo de Cargas Concentradas 121 Tabla 23: Relación de Elementos Mecánicos entre el Modelo de Cargas Concentradas 123 Tabla 24: Elementos Mecánicos Máximos debidos a las cargas distribuidas 125 Tabla 25: Elementos Mecánicos Máximos para Validar el Sistema de Cargas Vivas 126 Tabla 26: Relación de Elementos Mecánicos respecto al Modelo Cargas Vivas 128 Tabla 27: Factores de Carga (Tabla 3.4.1-1, AASHTO LRFD 2017) 130 Tabla 28: Factor de presencia múltiple (Tabla 3.6.1.1.2-1, AASHTO LRFD 2017) 131 Tabla 29: Factor de incremento por carga dinámica IM (Tabla 3.6.2.1.-1, AASHTO LRFD 2017) 132 LISTA DE FIGURAS Pag. Figura 1: Camión de diseño HL-93 9 Figura 2: Camión de diseño HL-13_AR 9 Figura 3: Camión de diseño IMT 66.5 10 Figura 4: Camión de diseño CC-14 10 Figura 5: Teorema de Barré 12 Figura 6: Histograma de la cantidad de vehículos registrados por Vías Bolivia 15 Figura 7: Histograma de cantidad de vehículos depurados 16 Figura 8: Peso bruto total vehicular, C5 18 Figura 9: Peso bruto total vehicular, C23 19 Figura 10: Peso bruto total vehicular, C44 19 Figura 11: Peso bruto total vehicular, C46 20 Figura 12: Peso bruto total vehicular, C57 20 Figura 13: Peso en Eje-1, vehículo C5 22 Figura 14: Peso en Eje-2, vehículo C5 22 Figura 15: Peso en Eje-1, vehículo C23 23 Figura 16: Peso en Eje-2, vehículo C23 24 Figura 17: Peso en Eje-3, vehículo C23 24 Figura 18: Peso en Eje-4, vehículo C23 25 Figura 19: Peso en Eje-3’, vehículo C23 25 Figura 20: Peso en Eje-1, vehículo C44 26 Figura 21: Peso en Eje-2, vehículo C44 26 Figura 22: Peso en Eje-3, vehículo C44 27 Figura 23: Peso en Eje-1, vehículo C46 28 Figura 24: Peso en Eje-2, vehículo C46 28 Figura 25: Peso en Eje-3, vehículo C46 29 Figura 26: Peso en Eje-4, vehículo C46 29 Figura 27: Peso en Eje-3’, vehículo C23 30 Figura 28: Peso en Eje-1, vehículo C57 30 Figura 29: Peso en Eje-2, vehículo C57 31 Figura 30: Peso en Eje-3, vehículo C57 31 Figura 31: Frecuencia relativa acumulada P1(Eje-1), vehículo C5 32 Figura 32: Frecuencia relativa acumulada P2(Eje-2), vehículo C5 32 Figura 33: Frecuencia relativa acumulada P1(Eje-1), vehículo C23 33 Figura 34: Frecuencia relativa acumulada P2(Eje-2), vehículo C23 33 Figura 35: Frecuencia relativa acumulada P3(Eje-3+Eje-4 o Eje-3’), vehículo C23 34 Figura 36: Frecuencia relativa acumulada P2(Eje-2), vehículo C44 35 Figura 37: Frecuencia relativa acumulada P3(Eje-3), vehículo C44 35 Figura 38: Frecuencia relativa acumulada P1(Eje-1), vehículo C46 36 Figura 39: Frecuencia relativa acumulada P2(Eje-2), vehículo C46 36 Figura 40: Frecuencia relativa acumulada P3(Eje-3+Eje-4 o Eje-3’), vehículo C46 37 Figura 41: Frecuencia relativa acumulada P1(Eje-1), vehículo C57 37 Figura 42: Frecuencia relativa acumulada P2(Eje-2), vehículo C57 38 Figura 43: Frecuencia relativa acumulada P3(Eje-3), vehículo C57 38 Figura 44: “d1” Separación entre Ejes 1 y 2, vehículo C5 40 Figura 45: “d1” Separación entre Ejes 1 y 2, vehículo C23 40 Figura 46: “d2” Separación entre Ejes 2 y 3, vehículo C23 41 Figura 47: “d1” Separación entre Ejes 1 y 2, vehículo C44 41 Figura 48: “d2” Separación entre Ejes 2 y 3, vehículo C44 42 Figura 49: “d1” Separación entre Ejes 1 y 2, vehículo C46 42 Figura 50: “d2” Separación entre Ejes 2 y 3, vehículo C46 43 Figura 51: “d1” Separación entre Ejes 1 y 2, vehículo C57 43 Figura 52: “d2” Separación entre Ejes 2 y 3, vehículo C57 44 Figura 53: M10 (momento máximo en claro 10 m), Vehículo C5 45 Figura 54: M20 (momento máximo en claro 20m), Vehículo C5 46 Figura 55: M30 (momento máximo en claro 30m), Vehículo C5 46 Figura 56: M40 (momento máximo en claro 40m), Vehículo C5 47 Figura 57: M50 (momento máximo en claro 50m), Vehículo C5 47 Figura 58: M60 (momento máximo en claro 60m), Vehículo C5 48 Figura 59: M10 (momento máximo en claro 10m), Vehículo C23 48 Figura 60: M20 (momento máximo en claro 20m), Vehículo C23 49 Figura 61: M30 (momento máximo en claro 30m), Vehículo C23 49 Figura 62: M40 (momento máximo en claro 40m), Vehículo C23 50 Figura 63: M50 (momento máximo en claro 50m), Vehículo C23 50 Figura 64: M60 (momento máximo en claro 60m), Vehículo C23 51 Figura 65: M10 (momento máximo en claro 10m), Vehículo C44 51 Figura 66: M20 (momento máximo en claro 20m), Vehículo C44 52 Figura 67: M30 (momento máximo en claro 30m), Vehículo C44 52 Figura 68: M40 (momento máximo en claro 40m), Vehículo C44 53 Figura 69: M50 (momento máximo en claro 50m), Vehículo C44 53 Figura 70: M60 (momento máximo en claro 60m), Vehículo C44 54 Figura 71: M10 (momento máximo en claro 10m), Vehículo C46 54 Figura 72: M20 (momento máximo en claro 20m), Vehículo C46 55 Figura 73: M30 (momento máximo en claro 30m), Vehículo C46 55 Figura 74: M40 (momento máximo en claro 40m), Vehículo C46 56 Figura 75: M50 (momento máximo en claro 50m), Vehículo C46 56 Figura 76: M60 (momento máximo en claro 60m), Vehículo C46 57 Figura 77: M10 (momento máximo en claro 10m), Vehículo C57 57 Figura 78: M20 (momento máximo en claro 20m), Vehículo C57 58 Figura 79: M30 (momento máximo en claro 30m), Vehículo C57 58 Figura 80: M40 (momento máximo en claro 40m), Vehículo C57 59 Figura 81: M50 (momento máximo en claro 50m), Vehículo C57 59 Figura 82: M60 (momento máximo en claro 60m), Vehículo C57 60 Figura 83: Momentos Máximos Generados por las distintas Configuraciones Vehiculares vs La Longitud de Puente. 61 Figura 84: V10 (cortante máxima en claro 10m), Vehículo C5 62 Figura 85: V20 (cortante máxima en claro 20m), Vehículo C5 62 Figura 86: V30 (cortante máxima en claro 30m), Vehículo C5 63 Figura 87: V40 (cortante máxima en claro 40m), Vehículo C5 63 Figura 88: V50 (cortante máxima en claro 50m), Vehículo C5 64 Figura 89: V60 (cortante máxima en claro 60m), Vehículo C5 64 Figura 90: V10 (cortante máxima en claro 10m), Vehículo C23 65 Figura 91: V20 (cortante máxima en claro 20m), Vehículo C23 65 Figura 92: V30 (cortante máxima en claro 30m), Vehículo C23 66 Figura 93: V40 (cortante máxima en claro 40m), Vehículo C23 66 Figura 94: V50 (cortante máxima en claro 50m), Vehículo C23 67 Figura 95: V60 (cortante máxima en claro 60m), Vehículo C23 67 Figura 96: V10 (cortante máxima en claro 10m), Vehículo C44 68 Figura 97: V20 (cortante máxima en claro 20m), Vehículo C44 68 Figura 98: V30 (cortante máxima en claro 30m), Vehículo C44 69 Figura 99: V40 (cortante máxima en claro 40m), Vehículo C44 69 Figura 100: V50 (cortante máxima en claro 50m), Vehículo C44 70 Figura 101: V60 (cortante máxima en claro 60m), Vehículo C44 70 Figura 102: V10 (cortante máxima en claro 10m), Vehículo C46 71 Figura 103: V20 (cortante máxima en claro 20m), Vehículo C46 71 Figura 104: V30 (cortante máxima en claro 30m), Vehículo C46 72 Figura 105: V40 (cortante máxima en claro 40m), Vehículo C46 72 Figura 106: V50 (cortante máxima en claro 50m), Vehículo C46 73 Figura 107: V60 (cortante máxima en claro 60m), Vehículo C46 73 Figura 108: V10 (cortante máxima en claro 10m), Vehículo C57 74 Figura 109: V20 (cortante máxima en claro 20m), Vehículo C57 74 Figura 110: V30 (cortante máxima en claro 30m), Vehículo C57 75 Figura 111: V40 (cortante máxima en claro 40m), Vehículo C57 75 Figura 112: V50 (cortante máxima en claro 50m), Vehículo C57 76 Figura 113: V60 (cortante máxima en claro 60m), Vehículo C57 76 Figura 114: Cortantes Máximos Generados por las distintas Configuraciones Vehiculares vs La Longitud de Puente. 77 Figura 115: Comparación de Momentos Máximos de las Configuraciones C5, C23, C44, C46 y C57 respecto al Camión HL-93 79 Figura 116: Comparación de Cortantes Máximos de las Configuraciones C5, C23, C44, C46 y C57 respecto al Camión HL-93 80 Figura 117: Modelo conceptual del Camión y Tándem de Diseño 81 Figura 118: Correlograma de*M20, V20, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C23 83 Figura 119: Correlograma de M30, V30, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C23 84 Figura 120: Correlograma de M40, V40, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C23 84 Figura 121: Correlograma de M50, V50, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C23 85 Figura 122: Correlograma de M60, V60, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C23 85 Figura 123: Correlograma de M20, V20, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C44 86 Figura 124: Correlograma de M30, V30, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C44 86 Figura 125: Correlograma de M40, V40, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C44 87 Figura 126: Correlograma de M50, V50, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C44 87 Figura 127: Correlograma de M60, V60, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C44 88 Figura 128: Correlograma de*M20, V20, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C46 88 Figura 129: Correlograma de M30, V30, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C46 89 Figura 130: Correlograma de M40, V40, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C46 89 Figura 131: Correlograma de M50, V50, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C46 90 Figura 132: Correlograma de M60, V60, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C46 90 Figura 133: Correlograma de*M20, V20, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C57 91 Figura 134: Correlograma de M30, V30, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C57 91 Figura 135: Correlograma de M40, V40, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C57 92 Figura 136: Correlograma de M50, V50, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C57 92 Figura 137: Correlograma de M60, V60, P1, P2, P3, d1 y d2 para Vehículo C57 93 Figura 138: Distribución de Weibull para las cargas P1 y P2 reales, Vehículo C5 97 Figura 139: Distribución de Weibull para las cargas P1, P2, P3 reales, Vehículo C23 97 Figura 140: Distribución de Weibull para las cargas P1, P2, P3 reales, Vehículo C44 98 Figura 141: Distribución de Weibull para las cargas P1, P2, P3 reales, Vehículo C46 98 Figura 142: Distribución de Weibull para las cargas P1, P2, P3 reales, Vehículo C57 99 Figura 143: Distribución de Weibull para las cargas P1, P2, P3 reales, vehículos C23-C44-C46-C57 99 Figura 144: Distribución de Weibull para la carga P2 Virtual = CV, Vehículo C5 100 Figura 145: Distribución de Weibull para la carga P1 Virtual = CV1, Vehículo C23 100 Figura 146: Distribución de Weibull para la carga P2 Virtual = CV2, Vehículo C23 101 Figura 147: Distribución de Weibull para la carga P3 Virtual = CV3, Vehículo C23 101 Figura 148: Distribución de Weibull para la carga P1 Virtual = CV1, Vehículo C44 102 Figura 149: Distribución de Weibull para la carga P2 Virtual = CV2, Vehículo C44 102 Figura 150: Distribución de Weibull para la carga P3 Virtual = CV3, Vehículo C44 103 Figura 151: Distribución de Weibull para la carga P1 Virtual = CV1, Vehículo C46 103 Figura 152: Distribución de Weibull para la carga P2 Virtual = CV2, Vehículo C46 104 Figura 153: Distribución de Weibull para la carga P3 Virtual = CV3, Vehículo C46 104 Figura 154: Distribución de Weibull para la carga P1 Virtual = CV1, Vehículo C57 105 Figura 155: Distribución de Weibull para la carga P2 Virtual = CV2, Vehículo C57 105 Figura 156: Distribución de Weibull para la carga P3 Virtual = CV3, Vehículo C57 106 Figura 157: Distribución de Weibull para la carga P1 Virtual = CV1, Vehículos C23-C44-C46-C57 106 Figura 158: Distribución de Weibull para la carga P2 Virtual = CV2, Vehículos C23-C44-C46-C57 107 Figura 159: Distribución de Weibull para la carga P3 Virtual = CV3, Vehículos C23-C44-C46-C57 107 Figura 160: Modelo de Carga Viva, Camión y Tándem BL-93 111 Figura 161: Regresión Lineal M20, Combinaciones Aleatorias 114 Figura 162: Regresión Lineal M30, Combinaciones Aleatorias 114 Figura 163: Regresión Lineal M40, Combinaciones Aleatorias 115 Figura 164: Regresión Lineal M50, Combinaciones Aleatorias 115 Figura 165: Regresión Lineal M60, Combinaciones Aleatorias 116 Figura 166: Regresión Lineal V20, Combinaciones Aleatorias 116 Figura 167: Regresión Lineal V30, Combinaciones Aleatorias 117 Figura 168: Regresión Lineal V40, Combinaciones Aleatorias 117 Figura 169: Regresión Lineal V50, Combinaciones Aleatorias 118 Figura 170: Regresión Lineal V60, Combinaciones Aleatorias 118 Figura 171: Carga de Carril BL-23 120 Figura 172: Validación del modelo con valores esperados, Momentos Flectores 122 Figura 173: Validación del modelo con valores esperados, Fuerzas Cortantes 122 Figura 174: Relación de Momentos respecto al Modelo Cargas Vivas 124 Figura 175: Relación de Cortantes respecto al Modelo Cargas Vivas 124 Figura 176: Validación final del modelo, Momentos Flectores 127 Figura 177: Validación final del modelo, Fuerzas Cortantes 127 Figura 178: Validación final del modelo, Valores relativos de Momentos Flectores 129 Figura 179: Validación final del modelo, Valores relativos de Cortantes 129

En esta tesis se desarrolla y presenta un modelo de cargas vivas vehiculares adaptado específicamente para el diseño estructural de puentes en Bolivia, con el objetivo de mejorar la seguridad y eficiencia de las infraestructuras viales en el país. La investigación se enfoca en analizar y considerar las características particulares de las cargas vehiculares en Bolivia, incluyendo los pesos y dimensiones de los vehículos de carga comunes en la región, y cómo estos difieren de las especificaciones propuestas en la normativa AASHTO LRFD, ampliamente utilizada a nivel internacional. Para llevar a cabo el estudio, se realizó una revisión exhaustiva de la literatura y se analizaron datos de tráfico y vehículos de carga en Bolivia. Posteriormente, se examinaron y compararon los momentos flectores y las fuerzas cortantes generadas por ambos modelos, el propuesto y el de AASHTO LRFD, en diferentes casos de puentes con variadas configuraciones estructurales. Los hallazgos de esta investigación demuestran que el modelo adaptado propuesto conduce a momentos flectores y fuerzas cortantes superiores a los obtenidos mediante el modelo AASHTO LRFD. Estos resultados resaltan la importancia de utilizar un modelo de cargas vivas vehiculares adaptado a las condiciones locales para lograr diseños de puentes más seguros y eficientes en el contexto boliviano. Además, se plantea la necesidad de actualizar las normativas y regulaciones nacionales para incluir este modelo adaptado, con el fin de mejorar la calidad y longevidad de las infraestructuras viales en el país