Cargas Móviles vs. Multi-Step Static en CSiBridge y SAP2000
Al modelar cargas de vehículos en puentes en CSiBridge y SAP2000, los ingenieros suelen elegir entre:
- Casos de carga de Cargas Móviles (Moving Load Cases): casos de tráfico móvil basados en líneas/superficies de influencia, que realizan la suma lineal de los efectos de las cargas por eje y reportan respuestas máximas y mínimas; y
- Casos de carga Multi-Step Static utilizando patrones (patterns) Vehicle Live.
Ambos enfoques pueden representar vehículos que actúan o no de forma simultánea, pero se basan en supuestos diferentes sobre cómo se posicionan y combinan las cargas y sobre cómo se representan los modelos reglamentarios de tráfico.
Casos de Cargas Móviles (Moving Load Cases)
En los Moving Load Cases:
- Se definen carriles de tráfico (lanes), vehículos y clases de vehículos de acuerdo con la normativa aplicable o con los requisitos del proyecto.
- CSiBridge calcula superficies de influencia y desplaza automáticamente los vehículos a lo largo de los carriles para determinar las respuestas máximas y mínimas.
Puntos clave:
- En cada posición de los vehículos (y para cada configuración de utilización de los carriles de tráfico), los efectos de todas las cargas activas (ejes, múltiples carriles, múltiples vehículos) se suman linealmente.
- A lo largo de todas estas soluciones estáticas, el Moving Load Case conserva, para cada magnitud de respuesta, un máximo y un mínimo.
- La fuerza axial/esfuerzo normal máximo, el esfuerzo cortante máximo, el momento flector máximo, etc., pueden ocurrir para posiciones diferentes de los vehículos; por tanto, en general, no corresponden a una única configuración física.
- Como regla general, los Moving Load Cases no deben sumarse entre sí, para evitar una “duplicación” del cargamento en los mismos carriles de tráfico. Las combinaciones aditivas de cargas móviles deben definirse dentro del propio Moving Load Case. Varios casos de carga móvil solo deben combinarse mediante combinaciones de tipo envolvente (envelope-type), en las cuales no hay suma algebraica entre diferentes Moving Load Cases.
En la práctica:
- Los modelos de tráfico alternativos (diferentes vehículos reglamentarios, trenes de ejes, vehículos especiales) deben combinarse mediante envolventes, y no por suma.
- Los vehículos simultáneos en varios carriles de tráfico deben definirse dentro del mismo Moving Load Case, utilizando clases de vehículos, definición de carriles y factores de múltiples carriles (cuando sean aplicables), garantizando la coherencia en la suma lineal de los efectos.
Para aprender más sobre Moving Loads, consulte los artículos Cargas Móviles en SAP2000 y Análisis de Cargas Móviles en CSiBridge.
Multi-Step Static con Vehicle Live
En los casos de carga Multi-Step Static, el análisis se resuelve para cada paso i, en el que ri representa el estado de carga en dicho paso.
Con patrones Vehicle Live:
- Se definen los vehículos, los carriles de tráfico y la cinemática (posición inicial, velocidad, dirección).
- En cada paso (step), CSiBridge posiciona las cargas por eje en sus posiciones actuales y resuelve la estructura de forma estática.
- Todas las fuerzas y desplazamientos en el paso i corresponden a una configuración físicamente consistente de todos los vehículos.
Esto es particularmente adecuado cuando:
- Se desea la evolución paso a paso de la respuesta a medida que los vehículos atraviesan la estructura.
- Se necesitan fuerzas internas correlacionadas para configuraciones específicas.
- Se pretende estudiar escenarios explícitos (por ejemplo, cruce de vehículos en el puente).
Las envolventes se obtienen entonces a lo largo de los pasos del mismo caso Multi-Step Static, representando los efectos gobernantes de ese escenario.
Dos limitaciones importantes del Multi-Step Static Vehicle Live
No existen cargas distribuidas
Para Load Patterns Vehicle Live usados en Multi-Step Static, solo se consideran cargas puntuales.
Consecuencia práctica:
- Utilizar Moving Load Cases para envolventes reglamentarias cuando se requiere la representación completa (incluyendo componentes distribuidas asociadas al carril, cuando sean aplicables).
- Utilizar Multi-Step Static Vehicle Live como herramienta complementaria para el estudio de escenarios.
La velocidad no reproduce la dinámica de la estructura
Aunque se definan velocidad y paso temporal, el Multi-Step Static sigue siendo estático:
- la velocidad sirve únicamente para actualizar la posición del vehículo en cada paso;
- los efectos dinámicos no están incluidos.
Consecuencia práctica:
- Para análisis dinámicos, se recurre a factores reglamentarios o a un análisis time history adecuado.
Ejemplo numérico – Dos carriles, un vehículo por carril en un puente simplemente apoyado de 40 m (CSiBridge)
Geometría y vehículo
- Puente: simplemente apoyado, vano de 40 m.
- Se consideran únicamente momentos flectores positivos en el vano.
- Se definen dos carriles paralelos a lo largo del vano.
- Cada carril tiene un vehículo idéntico:
- 2 ejes de 400 kN (200 kN + 200 kN) cada uno,
- Separación entre ejes de 3 m,
- Ejes alineados a lo largo del carril.
Se analiza el momento flector positivo máximo en la sección de medio vano.
Un carril – un vehículo de dos ejes
Para un carril con un vehículo de dos ejes de 400 kN, separados 3 m, posicionados por CSiBridge para maximizar el momento en medio vano en un puente simplemente apoyado de 40 m, el cálculo muestra:
Primero para el Caso de Carga Móvil:
Ahora para el Multi-Step Static:
Esto considera:
- Cada eje de 400 kN actuando próximo al centro del vano,
- Su separación de 3 m alrededor de la sección de medio vano, y
- La superposición lineal de ambos ejes.
Dos carriles – un vehículo por carril, actuando simultáneamente
Ahora se consideran dos carriles, cada uno con el mismo vehículo en la misma posición longitudinal (dos vehículos lado a lado cerca del medio vano):
- Carril 1:
- Carril 2:
Primero para el Caso de Carga Móvil:
Ahora para el Multi-Step Static:
Si el dimensionamiento considera ambos carriles en conjunto, el momento flector positivo total en medio vano para un vehículo por carril actuando simultáneamente es aproximadamente:
Recomendaciones prácticas para CSiBridge
- Utilice Moving Load Cases para obtener envolventes máximas y mínimas, incluyendo cargas distribuidas y factores de múltiples carriles; combine distintos modelos de tráfico con combinaciones de carga de tipo Envelope y evite sumas aditivas de múltiples Moving Load Cases en los mismos carriles.
- Utilice Multi-Step Static con Vehicle Live para escenarios explícitos y respuesta paso a paso, sabiendo que:
- las cargas distribuidas no se incluyen; y
- los efectos dinámicos no se captan, a pesar de la introducción de la velocidad.
- Para vehículos que actúan simultáneamente, defínalos conjuntamente en un único Moving Load Case o en un único caso Multi-Step Static; para escenarios alternativos, utilice combinaciones de tipo Envelope en lugar de combinaciones aditivas.