comportamiento estructural de un puente colgante
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el siguiente trabajo analiza el comportamiento estructural de un puente colgante sometido a carga vivas y su propio peso, incluye la descripción de los esfuerzos que se generan y explica de que manera ayuda la forma que tiene en el soporte de este.TRANSCRIPT
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Índice:
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 3
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................... 4
II. OBJETIVOS .............................................................................................................................. 4
2.1. OBJETIVOS GENERALES ............................................................................................. 4
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................... 4
III. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 5
3.1. CONCEPTOS APLICADOS A LA FÍSICA .................................................................... 5
3.1.1. ELASTICIDAD ........................................................................................................... 5
3.1.2. ESFUERZOS ................................................................................................................. 7
3.1.2.1. Tracción y compresión: ............................................................................................. 7
3.1.2.2. Esfuerzo de corte ..................................................................................................... 10
3.3.3. FLEXIÓN ....................................................................................................................... 11
3.2. CONCEPTOS APLICADOS A LA INGENIERÍA ........................................................ 12
3.2.1. PUENTE ................................................................................................................... 12
3.2.1.1. Partes de un puente ........................................................................................... 12
3.2.1.2. Taxonomía estructural y evolucionaría ........................................................... 13
3.2.1.3. Comportamiento estructural de un puente ..................................................... 13
3.2.2. PUENTE COLGANTE ............................................................................................ 16
3.2.2.1. Contexto Histórico .............................................................................................. 16
3.2.2.2. Concepto del puente colgante .......................................................................... 16
3.2.2.3. Comportamiento Estructural de un Puente Colgante ................................... 17
3.2.2.4. Partes y Elementos de un Puente Colgante .................................................. 19
3.2.2.5. Materiales con el que están compuestas las partes de un puente colgante
20
3.2.2.6. Comparación con otros puentes ...................................................................... 23
3.2.3. CARGAS .................................................................................................................. 24
3.2.3.1. Cargas Estructurales Concepto de Estructura ............................................... 25
3.2.3.2. Tipos de Cargas.................................................................................................. 26
3.2.3.3. Clasificación de las Cargas ........................................................................... 26
3.2.3.4. Cargas en las vigas ................................................................................................. 27
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3.2.3.5. Peso Propio de los Cables con Deflexión Simétrica ..................................... 31
3.2.3.6. Carga Viva en los Puentes. .............................................................................. 34
3.2.3.7. Cargas por Peso Propio y Peso Muerto en los Puentes .............................. 35
3.2.2.8. Líneas de Influencia en un Puente. ........................................................................ 36
IV. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS ............................................................................ 37
Objetivo 1 ..................................................................................................................................... 37
Objetivo 2 ..................................................................................................................................... 38
Objetivo 3 ..................................................................................................................................... 40
V. IMPACTO AMBIENTAL ......................................................................................................... 41
VI. OPINIÓN CRÍTICA ............................................................................................................. 43
VII. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 44
7.1. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 44
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... 45
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INTRODUCCIÓN
Se denomina puente colgante a una estructura que permite cruzar, a distinto nivel,
un obstáculo y está compuesta por un tablero soportado mediante péndolas
verticales o inclinadas de cables, que son la estructura portante, y que cuelgan
apoyados en dos torres. La necesidad de cruzar obstáculos naturales, sean ríos o
quebradas, ha hecho que desde muy antiguo el hombre desarrolle este tipo de
puentes. En el Perú, en la época de los incas, se emplearon sistemas de sogas
denominados oroyas, con un cable, o huaros, con dos cables, y puentes colgantes
que empleaban cables formados por varias sogas hechas de fibras vegetales del
maguey. Estos puentes no tenían vigas de rigidez. Uno de los más notables fue el
puente sobre el río Apurímac, en la vecindad de Curahuasi.
Para tener un poco más de conocimientos acerca del puente colgante y así poder
desarrollar los objetivos planteados tendremos que desarrollar lo siguiente: el
funcionamiento puente colgante, como están distribuidas las cargas vivas y cargas
muertas, como ayuda la forma del cable principal en el funcionamiento y a que
esfuerzos está sometida el puente colgante, elementos del puente colgante, los
mecanismos de construcción, la elasticidad de los materiales, como la física
interviene en un puente colgante.
Las limitaciones de este trabajo se deben a las pocas bibliografías que hay
respecto a este tema, lo cual ha sido compensada a las informaciones obtenidas
del internet
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I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿Cuál es el comportamiento estructural de un puente colgante sometido a fuerzas
generales por cargas vivas y su propio peso?
II. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVOS GENERALES
Evaluar la resistencia que ejercen partes de un puente colgante cuando están
sometidas a fuerzas externas.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Conocer la elasticidad de los materiales que componen el puente colgante
desde un aspecto físico, para saber cuan resistente pueden ser a los
distintos esfuerzos que generan.
2. Analizar la forma de un puente colgante desde el punto de vista físico para
comprender de qué manera aporta en la resistencia de los materiales que lo
componen.
3. Analizar cómo están actuando las fuerzas internas en las diversas partes
del puente colgante, mediante estudios físicos para comprender los efectos
que produces y afectan a estas.
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III. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
3.1. CONCEPTOS APLICADOS A LA FÍSICA
3.1.1. ELASTICIDAD
Elasticidad es la propiedad que tiene los cuerpos de recuperar su forma y
dimensiones originales cuando la fuerza aplicada cesa de actuar.
Se dice que el cuerpo es perfectamente elástico (material elástico) si recobra su
forma original de un modo completo al descárgalo, y que es parcialmente elástico
(material no elástico) si la deformación producida por las fuerzas exteriores no
desaparece por completo al descargarlo. En el caso de un cuerpo perfectamente
elástico, el trabajo realizado por las fuerzas exteriores durante la deformación se
transforma completamente en energía potencial de deformación.
En el caso de un cuerpo parcialmente elástico, parte de aquel trabajo se
transforma en calor desarrollado en el cuero durante la deformación no elástica.
Experimentalmente, se ha visto que cuerpos tales como el acero, la madera y la
piedra pueden considerarse como perfectamente elásticos por debajo de cierto
límite que depende de las propiedades del material. Suponiendo que las fuerzas
externas que actúan sobre una estructura son conocidas, es un problema
fundamental para el proyectista dimensionar las partes de la estructura para que
estén en condiciones perfectamente elásticas en todos los casos de carga.
Solamente en tales condiciones la estructura tendrá una vida larga y segura y no
presentara deformaciones permanentes en sus elementos.
CURVA DE ESFUERZO DE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN UNITARIA
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Deformación elástica.- Ocurre desde el origen hasta el límite elástico o límite de elasticidad (b). En esta zona, denominada zona elástica, si el material es sometido a esfuerzo, y al reducir este, el material retorna a su forma original sin sufrir deformaciones permanentes.
Al principio del estiramiento, que va desde el origen hasta el límite de
proporcionalidad elástico (a), vemos que la deformación es proporcional al
esfuerzo observándose en la gráfica un segmento rectilíneo. En esta zona es
válida la ley de Hooke.
Más allá del límite de proporcionalidad elástica (a), hasta el límite elástico (b);
observamos en la gráfica que no se mantiene la línea recta, por tanto no existe
una relación sencilla entre el esfuerzo y la deformación. Pero en esta zona la
deformación es reversible, es decir el material recupera su forma original.
Deformación plástica o flujo plástico.- Si el material se somete más allá del límite elástico (b), entra en la zona plástica, donde si quitamos el esfuerzo aplicado el material no vuelve a su estado original y queda permanentemente deformado.
Si el esfuerzo continúa incrementándose, se llega al punto final de esta zona
denominado punto de ruptura (c), donde se produce la fractura o ruptura del
material. El esfuerzo necesario para causar la ruptura se denomina esfuerzo
de rotura.
Entre el límite elástico y el punto de ruptura, existe una zona de fluencia,
donde el material se deforma fácilmente sin necesidad de aumentar el
esfuerzo, el sólido se comporta como un líquido y fluye.
Cuerpos frágiles.- Se denomina así si la zona de fluencia es pequeña o inexistente.
Cuerpos dúctiles.- Se denomina así si la zona de fluencia es amplia.
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3.1.2. ESFUERZOS
Cuando se aplica una o varias fuerzas a una estructura (un puente, un edificio, el
cuerpo de una máquina, etc.) se dice que está sometido a esfuerzo. Si la soporta
sin deformaciones excesivamente o sin romperse, decimos que es una estructura
resistente a este esfuerzo.
Esfuerzos:
Tracción.
Compresión.
Cizalladura.
3.1.2.1. Tracción y compresión:
Si se somete una barra a dos fuerzas opuestas que actúan perpendicularmente a
sus secciones transversales, ocurrirán cambios longitudinales en la dirección de la
fuerza.
Si las tensiones son hacia fuera y tienden a estirarlo, se llama tracción, la barra sufre un
alargamiento.
Si las tensiones son hacia dentro, tienden a comprimirlo, se llama compresión, entonces la
barra sufre un acortamiento en su longitud.
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Esfuerzo de Tensión
El esfuerzo es una consecuencia de las fuerzas internas de corto alcance que se
producen por la aplicación de fuerzas exteriores. El esfuerzo se define como la
relación entre la intensidad de la fuerza externa por unidad de área de la sección
transversal.
donde: A: área sobre el cual actúa la fuerza (m2) F: fuerza (N)
σ: esfuerzo (N/m2)
Deformación Longitudinal (Unitaria)
El cambio de longitud que sufre la barra bajo esfuerzo de tensión axial, se conoce
como deformación longitudinal ∆l. La deformación unitaria se define como el
cambio en la longitud por unidad de longitud.
donde: ∆l: deformación l0: longitud inicial
Módulo de Young (Y)
El módulo de elasticidad o Young, mide la resistencia del solido a ser deformado,
entre mayor sea el valor de Y, mayor es la rigidez del material.
donde: σ: esfuerzo (N/m2)
λ: deformación longitudinal (unitaria)
Módulo de Poisson (u)
El módulo de poisson o coeficiente de elasticidad nos cuantifica la facilidad que
tiene un objeto para deformarse.
donde:
σ: esfuerzo (N/m2)
λ: deformación longitudinal (unitaria)
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Ejemplo de esfuerzo de tracción:
Muchos puentes, como los puentes de tirantes y los puentes colgantes, utilizan gruesos
cables de acero para sostener el tablero por donde circulan los vehículos. Estos cables se
denominan tirantes y están sometidos a tracción. En la foto debajo, observamos el puente
atirantado Vasco de Goma, en Portugal
Ejemplo de esfuerzo de compresión:
Uno de los ejemplos más comunes de esfuerzo de compresión es el que resisten las
columnas pilares y muros de carga de los edificios, como las columnas del templo griego
que se ilustra. Estos componentes estructurales deben sostener el peso de la parte del
edificio que está situado encima de ellos. Como consecuencia de la fuerza ejercida por el
peso aparece una fuerza de reacción con sentido hacia arriba que proviene de los
cimientos.
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3.1.2.2. Esfuerzo de corte
Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de corte (también llamado de
cizallamiento, de cilladura, o esfuerzo cortante) cuando se le aplican fuerzas
tangenciales o paralelas al área.
donde: σc: esfuerzo de corte (N/m2) F: fuerza (N) A: área sobre el cual actúa la fuerza (m2)
Deformación de Corte (λc):
La deformación de corte o cizalladura o deformación angular, se define como la
tangente del ángulo de deformación.
donde: λc: deformación de corte
θ: es tan pequeño que
Módulo de corte (G):
El módulo de corte o también llamado coeficiente de rigidez, mide la resistencia al
movimiento de los planos de un sólido al deslizar uno sobre otro.
donde: σc: esfuerzo de corte (N/m2)
λc: deformación de corte
Ejemplo de esfuerzo de corte:
Los extremos de las vigas de un edificio están sometidos a un esfuerzo de cizalladura. Dos fuerzas iguales de sentido contrario, aplicadas a la derecha e izquierda de los puntos de apoyo, tienden tendencia a ctar la viga. Por una parte, la Fuerza del peso que sostiene la viga y, por la otra, la fuerza de reacción que ejerce el pilar o muro pata sostener dicho peso.
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3.3.3. FLEXIÓN
Curvatura, deformación que experimenta un sólido cuando se aplican fuerzas o soporta
cargas que actúan en su plano de simetría o están dispuestas en pares simétricos con
respecto a dicho plano. Una pieza experimenta flexión, cuando está sometida a fuerzas
externas que se ejercen en sentido transversal a su longitud. Estas fuerzas se hallan
generalmente en el mismo plano y son con frecuencia perpendiculares al eje de la pieza.
Bajo su acción, la pieza cede y se deforma; si era recta (como es nuestro caso), adquiere
cierta curvatura, acortándose las fibras situadas en la parte cóncava y alargándose las de
la parte convexa.
En la parte superior la barra está sometida a esfuerzos de compresión y en la
parte inferior la barra está sometida a esfuerzos de tracción, esta combinación de
esfuerzos se denomina esfuerzo de flexión.
Ejemplo de esfuerzo de flexión
Aunque no se pueda apreciar a simple vista, la plataforma de un puente se comba cuando
debe soportar el peso de un vehículo. La flexión de un puente es muy pequeña ya que están
diseñados para que sean rígidas. Un caso similar de esfuerzo de flexión es el de una viga
en un edificio.
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3.2. CONCEPTOS APLICADOS A LA INGENIERÍA
3.2.1. PUENTE
Un puente es una construcción que permite salvar un accidente geográfico como
un río, un cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua o
cualquier otro obstáculo físico. El diseño de cada puente varía dependiendo de su
función y la naturaleza del terreno sobre el que se construye.
Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, siendo numerosos
los tipos de diseños que se han aplicado a lo largo de la historia, influidos por los
materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones
económicas, entre otros factores. Al momento de analizar el diseño de un puente,
la calidad del suelo o roca donde habrá de apoyarse y el régimen del río por
encima del que cruza son de suma importancia para garantizar la vida del mismo.
Por tanto el diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la
naturaleza del terreno donde se construye el puente.
3.2.1.1. Partes de un puente
La superestructura: conjunto de tramos que salvan los vanos situados entre los
soportes. Cada tramo de la superestructura está formado por un tablero o piso,
una o varias armaduras de apoyo y por las riostras laterales. El tablero soportada
directamente las cargas dinámicas y por medio de la armadura transmite las
tensiones a pilas y estribos.
La infraestructura: formada por:
Las pilas. Son los apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos.
Deben soportar la carga permanentemente y sobrecargas sin asientos, ser
insensibles a la acción de los agentes naturales (viento, riadas, etc.).
Los estribos situados en los extremos del puente sostienen los terraplenes
que conducen al puente. A veces son reemplazados por pilares hincados
que permiten el desplazamiento del suelo en su derredor. Deben resistir
todo tipo de esfuerzos por lo que se suelen construir en hormigón armado y
tener formas diversas.
Los cimientos o apoyos de estribos y pilas encargados de transmitir al
terreno todos los esfuerzos. Están formados por las rocas, terreno o pilotes
que soportan el peso de estribos y pilas.
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3.2.1.2. Taxonomía estructural y evolucionaría
Los puentes pueden ser clasificados por la forma en que las cuatro fuerzas de
tensión, compresión, flexión y tensión cortante o cizalladura están distribuidas en
toda su estructura. La mayor parte de los puentes emplea todas las fuerzas
principales en cierto grado, pero sólo unas pocas predominan. La separación de
fuerzas puede estar bastante clara. En un puente suspendido, los elementos en
tensión son distintos en forma y disposición. En otros casos las fuerzas pueden
estar distribuidas entre un gran número de miembros, tal como en uno apuntalado,
o no muy perceptibles a simple vista como en una caja de vigas. Los puentes
también pueden ser clasificados por su linaje.
Las armaduras de los puentes pueden trabajar a flexión (vigas), a tracción
(cables), a flexión y compresión (arcos y armaduras), etc.
En la construcción de los puentes una de las partes más delicadas es la
cimentación bajo agua debido a la dificultad de encontrar un terreno que resista
las presiones, siendo normal el empleo de pilotes de cimentación.
Los puentes de grandes dimensiones descansan generalmente sobre cimientos de
roca o tosca. Si los estratos sobre los que se va a apoyar están muy lejos de la
superficie, entonces se hace necesario utilizar pilares cuya profundidad sea
suficiente para asegurar que la carga admisible sea la adecuada.
3.2.1.3. Comportamiento estructural de un puente
El comportamiento estructural de un puente depende de la interacción entre cada
uno de los elementos estructurales que lo componen. En si para analizar la
respuesta que brinda la estructura ante las distintas cargas será necesario hacer
un estudio tramo a tramo dependiendo de los criterios de diseño que hayan sido
adoptados en la fase de proyectos.
Es importante estudiar el comportamiento en la etapa inicial de la estructura y
relacionarlo con la repuesta local de las secciones y elementos. El mecanismo de
comportamiento en la etapa inicial depende del tipo y numero de secciones que
sobrepasen la etapa final (con esto se quiere predecir) mientras más secciones
que participen en la deformación inicial y mientras más dúctil sea el
comportamiento de estas secciones mayor ductilidad tendrá el sistema en
conjunto.
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En viga.- Trabaja a tracción en la zona inferior de la estructura y compresión
en la superior, es decir, soporta un esfuerzo de flexión. Están formados
fundamentalmente por elementos horizontales que se apoyan en sus extremos
sobre soportes o pilares. Mientras que la fuerza que se transmite a través de
los pilares es vertical y hacia abajo y, por lo tanto, éstos se ven sometidos a
esfuerzos de compresión, las vigas o elementos horizontales tienden a
flexionarse como consecuencia de las cargas que soportan.
En ménsula.- Un puente en ménsula es un puente en el cual una o más vigas
principales trabajan como ménsula o voladizo. Los pequeños puentes
peatonales pueden construirse con vigas simples, pero los puentes de mayor
importancia se construyen con grandes estructuras reticuladas de acero o
vigas tipo cajón de hormigón postensado, o mediante estructuras colgadas.
Trabaja a tracción en la zona superior de la estructura y compresión en la
inferior. Los puentes atirantados son una derivación de este estilo.
Se mencionara algunos tipos de puente y los principales esfuerzos que soportan
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En arco.- Trabaja a compresión en la mayor parte de la estructura. Están
constituidos básicamente por una sección curvada hacia arriba que se apoya
en unos soportes o estribos y que abarca una luz o espacio vacío. En ciertas
ocasiones el arco es el que soporta el tablero (arco bajo tablero) del puente
sobre el que se circula, mediante una serie de soportes auxiliares, mientras
que en otras de él es del que pende el tablero (arco sobre tablero) mediante la
utilización de tirantes. La sección curvada del puente está siempre sometida a
esfuerzos de compresión, igual que los soportes, tanto del arco como los
auxiliares que sustentan el tablero. Los tirantes soportan esfuerzos de
tracción.
Puente atirantado. Se denomina puente atirantado a aquel cuyo tablero está
suspendido de uno o varios pilones centrales mediante obenques. Se
distingue de los puentes colgantes porque en éstos los cables principales se
disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables secundarios
verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente a tracción, y
los atirantados tienen partes que trabajan a tracción y otras a compresión.
También hay variantes de estos puentes en que los tirantes van desde el
tablero al pilar situado a un lado, y de ahí al suelo, o bien están unidos a un
único pilar
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3.2.2. PUENTE COLGANTE
3.2.2.1. Contexto Histórico
El diseño actual de los puentes colgantes fue desarrollado a principios del siglo
XIX los primeros ejemplos incluyen el puente de Menai el de Conwy ambos
puestos en funcionamiento en 1826 en el norte del país de Gales, y el primer
puente Hammersmith (1827) en la zona oeste de Londres. Este tipo de puentes
fue una revolución total, debido a que es prácticamente la única solución para
salvar grandes luces (superiores a un kilómetro). Pero esto acarrea un gran
análisis en el comportamiento estructural pues de por si es una estructura de poca
rigidez, está claro que no posee el soporte adecuado ante distintas cargas
pesadas en comparación con otros tipos de puentes, pero en otros aspectos es
bastante conveniente.
Durante el transcurso del tiempo se han estado innovando los materiales que
compongan las partes del puente de tal manera que proporcionen la resistencia
adecuada a los tipos de cargas que más le afectan. La mayoría de los puentes
colgantes usan estructuras de acero reticuladas para soportar la carretera en
consideración a los efectos desfavorables que muestran los puentes con placas
laterales verticales.
Un problema muy importante para la seguridad de estos puentes se presentó
cuando comienzan a construirse con vigas de rigidez cada vez más esbeltas y
sufren el efecto del viento, en particular el efecto de las ráfagas de viento. En 1940
se terminó de construir el puente de Tacoma, con 854m de luz central, con vigas
de rigidez de alma llena de sólo 2.40m de peralte sin arriostramiento lateral en su
parte inferior lo que originó que tuviera una rigidez torsional muy reducida. A los
pocos meses de haberse puesto en servicio este puente colapsó cuando su
tablero fue destrozado por oscilaciones torsionales producidas por vientos con
velocidades menores a 72 kph (Salvadori 1992). Esto llevo a la necesidad de
considerar la estabilidad aerodinámica de los puentes y a los ensayos en túneles
de viento.
3.2.2.2. Concepto del puente colgante
Un puente colgante es un puente sostenido por un arco invertido, trabaja a
tracción en la mayor parte de la estructura. Están formados por un tablero por el
que se circula, que pende, mediante un gran número de tirantes, de dos grandes
cables que forman sendas catenarias y que están anclados en los extremos del
puente y sujetos por grandes torres de hormigón o acero. Con excepción de las
torres o pilares que soportan los grandes cables portantes y que están sometidos
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a esfuerzos de compresión, los demás elementos del puente, es decir, cables y
tirantes, están sometidos a esfuerzos de tracción.
Desde la antigüedad este tipo de puentes han sido utilizados por la humanidad
para salvar obstáculos. Con el paso de los siglos y la introducción y mejora de
distintos materiales de construcción, este tipo de puentes son capaces en la
actualidad de soportar el tráfico rodado e incluso líneas de ferrocarril ligeras.
3.2.2.3. Comportamiento Estructural de un Puente Colgante
Los cables que constituyen el arco invertido de los puentes colgantes deben estar
anclados en cada extremo del puente ya que son los encargados de transmitir una
parte importante de la carga que tiene que soportar la estructura. El tablero suele
estar suspendido mediante tirantes verticales que conectan con dichos cables.
Las fuerzas principales en un puente colgante son de tracción en los cables
principales y de compresión en los pilares. Todas las fuerzas en los pilares deben
ser casi verticales y hacia abajo, y son estabilizadas por los cables principales.
Actualmente los puentes colgantes se utilizan casi exclusivamente para grandes
luces; por ello, salvo raras excepciones, todos tienen tablero metálico. El puente
colgante es, igual que el arco, una estructura que resiste gracias a su forma; en
este caso salva una determinada luz mediante un mecanismo resistente que
funciona exclusivamente a tracción. El cable es un elemento blando, lo que quiere
decir que no tiene rigidez y por tanto no resiste flexiones. Si se le aplica
un sistema de fuerzas, tomará la forma necesaria para que en él sólo se
produzcan esfuerzos axiles de tracción.
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Para presentar los procedimientos de análisis de puentes colgantes es necesario
indicar las hipótesis en que se basan:
El cable es perfectamente flexible, sólo puede resistir esfuerzos de tracción.
Esto significa que los momentos de flexión son nulos en todos los puntos
del cable.
El cable es homogéneo y de sección constante.
Las cargas que actúan en el cable hacen que en condiciones de servicio su
comportamiento sea elástico, siguiendo la ley de Hooke.
El eje del cable se desplaza solo en el plano vertical.
La carga externa es vertical y distribuida sobre la proyección horizontal del
cable.
En la figura que se muestra a continuacion se aprecian las fuerzas en el cable
cortado en los extremos de cada una de las torres
En cada pendola actua un peso (p) igual al peso multipicado por la separacion (d)
que hay entre las pendolas las dos tensiones(T) en los extremos y los pesos (P)
debe estar en equilibrio.
En esta situacion de cargas permanentes, la pila se encontrara sometida tan solo
a esfuerzo axial, sin flexion longitudinal. Esto garantiza mediante el equilibrio de
las cargas horizontales entre los cables principales en el vano principal.
remplazando el efecto de
la continuidad por las
tensiones inclinadas (T)
que ejercen las partes
suprimidas sobre el cable
principal la que se
descompone en la
horizontal y vertical. Como
no existe otra fuerza
vertical la tension
horizontal debe ser
constante a lo largo de
todo el cable.
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3.2.2.4. Partes y Elementos de un Puente Colgante
Tramo lateral: segmento entre dos pilones situado en los extremos del
puente. Con luces que varían entre 0.20 a 0.50 de la luz del tramo central.
Tramo central: segmento entre dos pilones situado en la parte central del
puente.
Pilón lateral: construcción vertical similar a una torre situada en un
costado, la cual sostiene generalmente los cables de un puente colgante o
de un puente atirantado.
Base del pilón: parte inferior del pilón es muy resistente a los esfuerzos de
compresión, en esta se encuentra el diseño de una buena cimentación ya
que es una de las partes más delicadas ya que hay dificultad de encontrar
un terreno que resista las presiones.
Flecha: distancia que hay entre la parte superior de un pilón hasta la
posición más del cable principal
Tirantes: cables destinados a sostener el tablero y las sobrecargas que se
presentan en esta, los tirantes se distribuyen equivalentemente las cargas,
estas soportan esfuerzos de tracción.
Cable portador (principal): dos cables flexibles que sostienen los tirantes.
Adoptan la forma parabólica para que en el solo se produzcan esfuerzos
axiales de tracción poseen una flecha del orden de 1/10 de la luz del tamo
central
Tablero: plataforma del puente, se encarga de soportar directamente las
cargas dinámicas, cargas vivas. además de estar reforzada por armaduras
las cuales transmiten las tensiones a cables y estribos.
Pilón: construcción vertical similar a una torre, la cual sostiene
generalmente los cables principales, por lo tanto en el actúan esfuerzos de
compresión.
Las vigas de rigidez que distribuyen las cargas concentradas de los
vehículos evitando las deformaciones locales de la estructura y
proporcionando la rigidez torsional y de flexión necesaria para evitar
oscilaciones peligrosas por efectos del viento.
Dos cámaras de anclaje que sirven para fijar los cables al terreno,
resistiendo normalmente por gravedad las fuerzas horizontales que
trasmiten dichos cables.
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3.2.2.5. Materiales con el que están compuestas las partes de un puente
colgante
a) CABLES Y ANCLAJES Los cables son los elementos más importantes
para resistir las cargas externas en la estructura de un puente colgante. El cable
puede presentar diversas configuraciones, pero todas ellas se basan en el empleo
de alambres delgados de alta resistencia. Un cordón está formado por una o más
capas de alambre colocadas helicoidalmente alrededor de un alambre central
recto. Los alambres que forman el cordón deben ser de acero al carbono
galvanizado en caliente o por un proceso electrolítico.
Se muestra un cordón galvanizado de 1” de diámetro, formado por 16 alambres.
El área de los alambres que forman el cordón incluye el recubrimiento de zinc, por
lo que las tensiones mínimas exigidas son aparentemente menores que para los
alambres sin galvanizar. El alambre del que se fabrica el cordón debe tener una
resistencia mínima en tracción de 1 520 MPa y el cordón tiene una resistencia
mínima de rotura de un aproximado de 1 380 MPa.
El acero es ideal para el sistema de cableado debido a su alta resistencia a la
tracción, los tirantes de acero no tiene un diámetro definido en los puentes
colgantes varían de acuerdo a la cantidad de carga que van a soportar. Pero se
sabe que un cable de acero de un diámetro de aproximadamente 0.25 cm puede
soportar más de media tonelada.
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Los cables principales que poseen la forma parabólica y son de gran flexibilidad
llegan a tener un diámetro de aproximadamente un metro y son los encargados de
soportar las cargas de los tirantes, a estos cables se los levanta hasta y por
encima de las torres (pilón), al cual lo someten a compresión, luego continúan más
allá de las torres hasta que alcanzan un punto de anclaje, estos puntos están
ubicados en roca solida o cemento y ayudan a distribuir la carga de los cables. Por
tanto también son importantes para aumentar la cantidad de peso que puede
soportar un puente.
b) LAS PÉNDOLAS Son los elementos doblemente articulados que trasmiten
las cargas del tablero del puente y de las vigas de rigidez a los cables. Pueden
estar formados por uno ó dos cordones y de acuerdo con esto cambia la manera
de conectarlos al cable. Estas péndolas se colocan verticalmente, aunque en
algunos puentes se les ha colocado inclinadas para mejorar el comportamiento
aerodinámico, pero esto aumenta la variación de esfuerzos debidos a la
sobrecarga por lo que no se les ha seguido empleando. El espaciamiento entre
péndolas se selecciona de manera que coincida con los nudos de la viga de
rigidez, en puentes de pequeña luz se colocan en cada nudo y en puentes de luz
grande generalmente cada dos nudos, dando espaciamientos del orden de 5.00m
a 15.00m.
Anclaje de péndola Colgador superior
c) PILÓN: Las torres han sido los elementos más difíciles de proyectar de los
puentes colgantes porque son los que permiten mayor libertad, por eso en ellas se
han dado toda clase de variantes. La mayoría tienen dos pilares con sección cajón
de alma llena, unidos riostras horizontales o cruces de san Andrés. Entonces el
diseño se hace acorde de acuerdo a la zona, desde torres metálicas hasta torres
de hormigón.
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El hormigón o concreto es un material compuesto empleado en construcción
formado esencialmente por un aglomerante, que en la mayoría de los casos es
cemento, al que se añade partículas o fragmentos de un agregado, agua y aditivos
específicos.
El cemento es un material pulverulento que por sí mismo no es aglomerante, y que
mezclado con agua, al hidratarse se convierte en una
pasta moldeable con propiedades adherentes, que en pocas horas fragua y se
endurece tornándose en un material de consistencia pétrea.
Cuando se proyecta una estructura de hormigón armado se establecen las
dimensiones de los elementos, el tipo de hormigón, los aditivos y el acero que hay
que colocar en función de los esfuerzos que deberá soportar y de las condiciones
ambientales a que estará expuesto.
d) TABLERO: Suele estar compuesto por una viga metálica de celosía
metálica, en consecuencia es de por sí una estructura de poca rigidez que precisa
de medidas especiales encaminadas a proporcionarle la resistencia conveniente a
los tipos de cargas que más le afectan. Para conseguir la rigidez adecuada el
tablero ha de ser reforzado con grandes riostras en celosía, o estar formado por
vigas cajón aerodinámicas y mediante tableros de planchas soldadas a unas vigas
cajón, combinación que proporciona la máxima rigidez con mínimo peso. Por
tanto permite diseños que abarcan grandes luces, se construyen con rapidez, pero
son caros de construir y además están sometidos a la acción corrosiva tanto de
La principal característica
estructural del hormigón es que
resiste muy bien los esfuerzos
de compresión, pero no tiene
buen comportamiento frente a
otros tipos de esfuerzos
(tracción, flexión, cortante, etc.),
por este motivo es habitual
usarlo asociado a ciertas
armaduras de acero, recibiendo
en este caso la denominación
de hormigón armado, o concreto
pre-reforzado
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los agentes atmosféricos como de los gases y humos de las fábricas y ciudades lo
que supone un mantenimiento caro.
3.2.2.6. Comparación con otros puentes
VENTAJAS
Construidos sobre vías navegables, los puentes colgantes se pueden
construir elevados, permitiendo el paso de barcos altos sin obstáculos
causados por el puente.
Durante la construcción, los soportes centrales temporales no necesitan
construirse, y el acceso a la construcción no exige que sea por debajo. Esto
significa que las carreteras concurridas y las vías no necesitan ser
interrumpidas.
El vano central puede ser muy largo en relación a la cantidad de material
empleado, permitiendo comunicar cañones o vías de agua muy anchos
Siendo relativamente flexible, puede flexionar bajo vientos severos y
terremotos, donde un puente más rígido tendría que ser más fuerte y duro.
Esta tipología de puentes es prácticamente la única solución posible para
salvar grandes luces (superiores a un kilómetro) por ejemplo cuando sea
peligroso para el tráfico marítimo añadir apoyos centrales temporales o
permanentes o no sea viable añadir a poyos centrales
En relación con la sobrecarga
de uso, el tablero funciona
longitudinalmente como una
viga apoyada elásticamente en
los puntos de cuelgue.
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DESVENTAJAS
o Al faltar rigidez el puente se puede volver intransitable en condiciones de
fuertes vientos o turbulencias, y requeriría cerrarlo temporalmente al tráfico.
Esta falta de rigidez dificulta mucho el mantenimiento de vías ferroviarias.
o Bajo grandes cargas de viento, las torres ejercen un gran momento (fuerza
en sentido curvo) en el suelo, y requieren una gran cimentación cuando se
trabaja en suelos débiles, lo que resulta muy caro.
o Si bien es cierto que la flexibilidad agregada de los puentes colgantes les
permite flexionarse bajo el poder de los vientos y terremotos, esto puede
ser una desventaja ya que pueden flexionarse bajo cargas pesadas y
concentradas. Estos puentes colgantes no se utilizan generalmente en los
cruces ferroviarios regionales que llevan las cargas máximas de peso,
causando estrés adicional en el puente.
3.2.3. CARGAS
Las cargas que actúan sobre las estructuras pueden dividirse en tres grandes
categorías: cargas muertas, cargas vivas y cargas ambientales.
Las cargas muertas son aquellas que se mantienen constantes en magnitud y fijas
en posición durante la vida de la estructura. Generalmente la mayor parte de la
carga muerta es el peso propio de la estructura. Esta puede calcularse con buena
aproximación a partir de la configuración de diseño, de las dimensiones de la
estructura y de la densidad del material. Para edificios, los rellenos y los acabados
de entre piso y el cielo raso se toman usualmente con cargas muertas incluyendo
una consideración para cargas suspendidas tales como ductos, aparatos y
accesorios de iluminación. Para puentes, las cargas muertas pueden incluir
superficies de reclutamiento, adenes y barandas y una consideración para cargas
suspendidas.
Las cargas muertas consisten en los pesos de los diversos miembros estructurales
y en los pesos d cualesquiera objetos que estén permanentemente unidos a la
estructura entonces para un edificio las cargas muertas comprenden los pesos de
las columnas de las columnas vigas y trabes, losas de piso, el techo, muros,
ventanas, plomería, instalación eléctrica y otros dispositivos diversos.
En algunos casos, una carga muerta estructural puede estimarse
satisfactoriamente por medio de fórmulas basadas en los pesos y tamaños de
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estructura similares. Con experiencia, se pueden también “estimar” la magnitud de
esas cargas.
Se consideran cargas vivas las fuerzas gravitacionales, que obran en una
construcción y que no tienen carácter permanente.
Consisten principalmente en cargas de ocupación en edificios y cargas de tráfico
en puentes. Estas pueden estar total o parcialmente en su sitio, o no estar
presentes, y pueden cambiar de ubicación. Su magnitud y distribución son ciertas
en un momento dado, sus máximas intensidades a lo largo de la vida de la
estructura no se conocen con precisión. Las cargas vivas mínimas para las cuales
deben diseñarse los entre pisos y cubiertas de un edificio se especifican
usualmente en el código de construcción.
Las cargas ambientales consisten principalmente en cargas de nieve, presión y
succión de viento, cargas sísmicas (fuerzas inerciales causadas por movimientos
sísmicos ), presiones de suelo en las porciones subterráneas de estructuras,
cargas de posibles emposamientos de aguas lluvias sobre superficies planas y
fuerzas causadas por cambio de temperatura. Al igual que las cargas vivas, las
cargas ambientales son inciertas tanto en magnitud como distribución.
3.2.3.1. Cargas Estructurales Concepto de Estructura
Son los cuerpos capaces de resistir cargas sin que exista una deformación
excesiva de una de las partes con respecto a la otra. Por ello la función de una
estructura consiste en transmitir la fuerza de un punto a otro en el espacio,
resistiendo su aplicación sin perder estabilidad. CONCEPTO DE CARGAS Es el
peso, fuerza que va a resistir la estructura y que también son llamadas fuerzas
externas. Y la fuerza es la capacidad que tiene un objeto de caer por su propio
peso al suelo. CARGA
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3.2.3.2. Tipos de Cargas
Cargas muertas, cargas vivas, cargas accidentales o ambientales o dinámicas (de
viento o sísmicas)
CARGAS MUERTAS: son aquellas que se mantienen en constante magnitud
y con una posición fija durante la vida útil de la estructura, la mayor carga
muerta generalmente es el peso propio de la estructura. Ejemplo: rellenos,
acabados de entrepiso, cielos rasos, columnas, vigas, losas. Etc.
CARGAS VIVAS son las que son ejercidas por, maquinarias, mobiliario,
materiales y mercancía almacenada así como los cambios de temperatura.
Viento cargas accidentales son cargas que pasan rápido por la estructura, son
cargas inerciales causadas por movimientos sísmicos, estas pueden ser
calculadas teniendo en cuenta las características dinámicas del suelo (estudio
de suelo).
3.2.3.3. Clasificación de las Cargas
Según el tiempo de aplicación permanentes accidentales estáticas dinámicas
móviles de impacto según la ubicación en el espacio concentrada o puntual
distribuidas según la intensidad de la aplicación de viento de sismo.
SEGÚN EL TIEMPO DE APLICACIÓN
A. PERMANENTES: son las que duran toda la vida útil de la estructura,
comprende el peso propio de la estructura y el todas las partes rígidas de la
construcción: estructura, instalaciones, cerramientos, revestimientos, etc.
B. ACCIDENTALES: son aquellas cuya magnitud y/o posición puede variar a lo
largo de la vida útil de la estructura, actúan de forma transitoria: viento,
personas, nieve, muebles, terremotos, etc.
C. ESTATICAS: son las que no cambian nunca su estado de reposo o lo hacen
lentamente en el tiempo: cerramientos, instalaciones, personas de oficina y
viviendas
D. DINÁMICAS: son las que varían rápidamente en el tiempo, son las durante el
tiempo que actúan están en estado de movimiento (inercial).
E. MOVILES: son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es
perpendicular con la dirección en que se produce la carga, desplazamiento de
un vehículo, desplazamiento de una grúa, un tren, etc.
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F. DE IMPACTO: son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es
coincide con la dirección en que se produce la carga, se caracteriza por un
tiempo muy breve, (instantánea): choque de un vehículo, movimiento sísmico,
publico saltando sobre gradas en estadio deportivo, etc.
3.2.3.4. Cargas en las vigas
Las vigas longitudinales conforman una estructura similar a una viga continua
sobre apoyos elásticos. Cada tensor constituye un apoyo elástico. Este esquema
de funcionamiento estructural permite que las dimensiones transversales de las
vigas longitudinales (y de las vigas transversales) dependan de la distancia entre
tensores y no dependan de la distancia entre torres de sustentación.
Las vigas transversales y longitudinales conforman una malla de elementos
estructurales sobre un plano horizontal.
La malla de vigas longitudinales y transversales se puede arriostrar y rigidizar
mediante diagonales y contradiagonales.
La colocación de las diagonales y contra diagonales persigue la formación de un
diafragma horizontal de gran resistencia a la flexión en la dirección horizontal
(similar a una losa en un edificio). La viga Vierendel que se formaría solamente
con las vigas transversales y longitudinales, es normalmente insuficiente para
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resistir las solicitaciones transversales al puente sobre ese plano horizontal
(acción dinámica de los sismos y del viento).
Apoyada en las vigas transversales se construye la estructura que soportará
directamente a los vehículos que circulan por el puente. Usualmente esta
estructura es una losa de hormigón, pero podría ser una estructura con planchas
metálicas. Debido a la gran rigidez de la losa sobre el plano horizontal, en caso de
su uso podría prescindirse del uso de diagonales y contradiagonales. En el caso
de una superestructura metálica para la circulación vehicular, las diagonales y
contradiagonales (o algún otro mecanismo de rigidización) serán necesarios.
En principio, la carga viva vehicular es transmitida a su estructura de soporte; la
estructura de soporte vehicular transmite la carga viva y su propio peso a las vigas
transversales; las vigas transversales con sus cargas, a su vez, se sustentan en
los tensores; los tensores, y las cargas que sobre ellos actúan, están soportados
por los cables principales; los cables principales transmiten las cargas a las torres
de sustentación; y, por último, las torres de sustentación transfieren las cargas al
suelo de cimentación. Claramente se puede establecer una cadena en el
funcionamiento de los puentes colgantes; la falla de cualquiera de los eslabones
mencionados significa la falla del puente en su conjunto.
Si bien la explicación del funcionamiento del modelo presentado es ideal desde un
punto de vista didáctico, pues se analizan uno a uno los distintos elementos
estructurales y su influencia sobre otros tipos de elementos, la geometría
presentada hasta el momento no es la más apropiada para un puente colgante,
pues la tensión en el extremo de los cables principales se convierte en una acción
que no puede ser soportada directamente por las torres de sustentación.
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La componente vertical de la tensión del cable es fácilmente resistida por las
torres de sustentación, pero la componente horizontal produciría volcamiento.
Para superar este limitante se deben crear mecanismos que permitan a la torre
compensar esa fuerza horizontal.
Una primera alternativa, válida exclusivamente para puentes de pequeñas luces
(hasta 40 m.) consiste en crear torres de sostenimiento tipo pórtico en la dirección
longitudinal, lo que facilita la estabilización de la carga proveniente de los cables
principales.
En puentes de grandes luces, la primera fase de la solución del problema consiste
en extender el puente y los cables principales hacia el otro lado de la torre, para
equilibrar total o parcialmente las cargas permanentes.
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En caso de no disponerse de una longitud apropiada hacia los extremos del
puente (muchas veces en zonas montañosas el acceso a los puentes es muy
restringido), se pueden construir contrapesos como parte de los volados.
La carga muerta no equilibrada y la carga vehicular que circula por el tramo central
son resistidas por anclajes gravitacionales de los cables, en sus extremos. La
carga vehicular actuante en los tramos extremos del puente puede ser resistida
por estribos. Generalmente los estribos son convertidos en anclajes para los
cables.
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Con el objeto de reducir los costos de los macizos de anclaje, los estribos son
construidos en hormigón armado, conformándose celdas selladas llenas de lastre
(piedra y tierra) dentro de los estribos.
Esta estructuración de los puentes colgantes permite resistir eficientemente las
cargas gravitacionales, pero existen otras alternativas de estructuración, como
puentes colgantes continuos, puentes con un solo eje central de cables, puentes
con más de un cable en los extremos de la vía, etc.
3.2.3.5. Peso Propio de los Cables con Deflexión Simétrica
Debido a su peso propio (carga vertical uniformemente distribuida en toda la
longitud del arco), los cables describen una curva conocida como Catenaria.
En el caso más común, en que no existe desnivel entre los dos extremos, la fuerza
de tensión en el extremo del cable (y la tensión a lo largo del cable también)
depende de la longitud entre extremos, del peso por unidad de longitud, y de la
flecha en el centro de la luz.
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En este caso:
Donde:
T: tensión en el extremo del cable
H: componente horizontal de la tensión en el extremo del cable
Como alternativa se puede utilizar una aproximación parabólica de segundo grado
a la catenaria (la diferencia es pequeña), con lo que la descripción del cable y su
comportamiento se podría calcular con las siguientes expresiones:
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Donde:
L1: luz libre entre apoyos del cable
Caso A:
La sección transversal del cable es:
El peso específico del acero es:
r = 7800 Kg/m3
El volumen de 1 m de cable con sección transversal totalmente llena es:
V = (0.07069 m2) . (1 m) = 0.07069 m3
El peso de 1 m de cable es:
W = (0.07069 m3) . (7800 Kg/m3) = 551 Kg
La carga distribuida a lo largo del arco, por peso propio es:
q = 551 Kg/m
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Tomando, del formulario anterior, las expresiones de la constante a y de la
flecha f se tiene:
3.2.3.6. Carga Viva en los Puentes.
La carga viva en los puentes está constituida por el peso de los vehículos más los
efectos derivados por su naturaleza dinámica y móvil. Además, en el caso de los
puentes urbanos, se debe considerar la carga viva peatonal en las veredas
Para evitar las confusiones que muchas veces se presenta, es necesario
comprender y diferenciar adecuadamente lo que son estas distintas cargas:
Cargas reales que circulan por el puente,
Cargas máximas legales
Cargas de diseño
1. Las cargas reales.
Son cargas móviles que realmente circulan por un puente, estas son de magnitud
y distribución muy variada, por ejemplo, un camión volvo de 26.5 toneladas tiene
mayor peso que un micro-bus.
2. Las cargas máximas legales.
Son las cargas máximas que están autorizadas a circular libremente por las
carreteras y puentes de la red vial. Cada país tiene al respecto sus normativas
para el peso máximo por eje. Además, nuestro país es firmante de la decisión Nº
94 del Acuerdo de Cartagena que fija las cargas mínimas para el diseño de los
puentes de la red vial de todos los países del Grupo Andino.
3. Carga viva de diseño.
La carga viva de diseño, es aquella que se utiliza para el diseño estructural. En
vista del amplio espectro de tipos de vehículos que pueden actuar sobre un puente
de carretera, lo que se hace es utilizar un sistema hipotético de cargas y no un
sólo camión de diseño. Con dicho sistema de cargas, debe ser posible simular las
condiciones más desfavorables que causan los vehículos reales normales.
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La carga viva que el proyectista debe utilizar en el diseño se establece en Normas,
Códigos o Especificaciones de diseño de puentes. En la fecha, en nuestro país no
existe un reglamento para el diseño de puentes. Durante muchos años se ha
utilizado las especificaciones americanas de la AASHTO y desde hace algunos
años se emplea especificaciones como ser especificaciones españolas.
En esta sección nos referimos únicamente a la parte básica de la carga viva, es
decir la componente vertical estática que transmiten los vehículos al puente. La
amplificación dinámica y demás efectos derivados por la naturaleza móvil de la
carga viva, son tratados más adelante.
3.2.3.7. Cargas por Peso Propio y Peso Muerto en los Puentes
El peso propio (pp).- Es una carga que debe ser definida previo pre
dimensionamiento de la estructura y en ningún caso debe ser menospreciada y
tampoco exagerada ya que la limitación de la longitud de los vanos
fundamentalmente se debe al peso muerto de las estructuras.
Para el pre diseño se tiene una serie de datos que guardan relación con obras que
ya han sido construidas.
Este peso depende de las dimensiones finales de los elementos; para su
determinación se podrán usar los valores unitarios de algunos materiales más
empleados que se muestran en la tabla 4.1.
Peso muerto (carga muerta CM ), está constituido por el peso de todas las
partes sobrepuestas del tablero que no forman parte de la estructura resistente,
por ejemplo: capa de superficie de rodadura (asfalto), veredas, barandas, rieles,
durmientes, cables, tuberías, balasto, etc. El peso muerto se calcula de acuerdo a
las propiedades y dimensiones de los materiales en cada caso particular.
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3.2.2.8. Líneas de Influencia en un Puente.
Muchas estructuras están sometidas a la acción del paso frecuente de cargas
móviles en cualquier dirección y de cualquier magnitud, ya sean uniformes o
concentradas. Como ejemplo podemos considerar las vigas o entramados de los
puentes carreteros, cuando por estos existe tráfico, están siendo sometidas a la
acción de cargas móviles producidas por las ruedas de los coches o camiones o
de un sistema de cargas uniformes equivalentes al paso de los coches o camiones
sobre la estructura. Otro ejemplo son las vigas o entramados de los puentes
ferroviarios estos están sometidos a la acción de las ruedas de las locomotoras
que son seguidas de un tren de carga uniforme de longitud indefinida. Estos
ejemplos nos dan una idea de algunos tipos de cargas móviles que habrán de
considerarse al proyectar un puente.
Para proyectar una viga o entramado que ha de soportar la acción de cargas
móviles, es necesario determinar de alguna manera la posición de dichas cargas,
que dará origen al máximo esfuerzo cortante, o al máximo momento flector en una
sección, o al máximo esfuerzo de una barra del entramado. Téngase muy en
cuenta que la posición de cargas que dé origen el máximo esfuerzo cortante en
una sección no originará necesariamente el máximo momento flector en esta
misma sección, es decir, que el sistema de cargas que de origen al valor máximo
del momento flector en una sección puede no originar el máximo momento de
flexión en otra sección cualquiera. Cuando se trate de buscar un máximo, ya sea
del esfuerzo cortante, del momento de flexión o del esfuerzo en una barra, lo
primero que hay que hacer es determinar la, posición crítica de las cargas móviles.
El estudio de las líneas de influencia nos proporcionará un entendimiento de este
problema y en muchos casos nos dará la mejor solución del mismo.
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IV. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS
Objetivo 1
Conocer la elasticidad de los materiales que componen un puente colgante
desde un aspecto físico, para saber cuan resistente pueden ser a los
distintos esfuerzos que generan.
Un puente colgante principalmente lo componen; el acero en los cables y tirantes,
concreto en los pilones, torres, y una estructura metálica en la plataforma, así
como también concreto armado en esta última.
El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el
0,03% y el 1,075% en peso de su composición. El módulo de Young del acero es
21x1010 N/m2, siendo este material resistente a cambios de longitud; y es
resistente a esfuerzos de tracción.
El acero es ideal para el sistema de cableado debido a su alta resistencia a la
tracción. De hecho, un solo cable de acero de un grosor de 1/10 de pulgada (0,25
cm) puede soportar más de media tonelada. Además, siendo un metal, el acero
tiene una ductilidad notable, o capacidad de doblarse, estirarse o deformarse sin
romperse.
http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn100.html
El hormigón o concreto es un formado esencialmente por un aglomerante, que en
la mayoría de los casos es cemento, al que se añade partículas o fragmentos de
un agregado, agua y aditivos específicos.
El módulo de elasticidad del concreto no es constante; ya que su valor depende de
la intensidad de la carga, cargas de corta y larga duración, de su peso volumétrico;
por lo que el módulo de elasticidad varía entre 1.4x105 y 4.2x105 kg/cm2 y se suele
asumir como 2.1x105 kg/cm2. El concreto de uso generalizado tiene una
resistencia a la compresión entre 210 y 350 kg/cm2; entonces el concreto resiste
esfuerzos de compresión.
El pilón está sometido a esfuerzos de compresión, por lo que debe de estar hecho
de hormigón.
El concreto tiene una muy baja resistencia a esfuerzos de tracción, siendo la
resistencia a tracción el 10% de la resistencia a compresión. Por lo que para
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añadirle más fuerza, el hormigón es previamente comprimido y reforzado con
acero, denominándose concreto armado.
El concreto armado es usado en la plataforma del puente, en especial en las
armaduras; el esfuerzo de tracción es absorbido por el acero y el de compresión,
por el concreto.
http://www.ingenierocivilinfo.com/2011/06/modulo-de-elasticidad-del-hormigon.html
Objetivo 2
4.2 Analizar la forma de un puente colgante desde el punto de vista físico
para comprender de qué manera aporta en la resistencia de los materiales
que lo componen.
El análisis se basa fundamentalmente en la forma que adoptan los cables
principales ¿por qué adopta la forma parabólica? En primer lugar el cable es un
elemento flexible por tanto si se le aplica un sistema de fuerzas tomará la forma
necesaria para que en él se produzcan esfuerzos axiales de tracción. “En ese
caso la forma del cable coincidirá forzosamente por la lineal generada por la
trayectoria de una de las posibles composiciones del sistema de fuerzas”
“la curva del cable puede ser vista como una gradiente constante que crece con el
crecimiento lineal de la distancia”
El cable adopta la forma de una poligonal producida
por cargas concentradas. La gráfica algo exagerada
se presenta por el efecto que generan las cargas
vivas. Por tanto los tirantes tienen un
comportamiento distinto en los diversos tramos
(esfuerzo extra). Pero ellos están debidamente
acoplados (gradiente constante) para que responda
de la mejor manera y no sobrepase su límite
elástico.
Adopta la forma de una curva catenaria por la
acción misma de su peso. Se puede obviar en
comparación con la curva que genera las
cargas vivas y muertas, para los cálculos de
diseño.
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Por ultimo adopta la forma parabólica debido
a la acción de a cargas uniformemente
distribuidas en la proyección horizontal. Esto
se manifiesta en la acción que genera la
carga muerta (peso propio de la plataforma
del puente).
“Por tanto al combinar los distintos tipos de cargas se originan formas
combinadas pero la diferencia de las curvas es mínima por ello en los cálculos
generalmente se ha utilizado la parábola de 2do grado.
Está demostrado que las fuerzas cortantes máximas en la plataforma del puente
colgante se localizan en los apoyos ya sea pilón y los momentos flectores
máximos se presentan en el vano central. Produciendo así esfuerzos de flexión,
compresión máxima y tracción máxima. Por tanto el cable debe tener la forma
adecuada para que su respuesta sea mejor ante estos esfuerzos. En otras
palabras estamos diciendo que la longitud de los tirantes decrece hasta el vano
central donde se localizan los máximos esfuerzos de flexión. Los tirantes de menor
longitud tienen mejor respuesta ante los máximos esfuerzos de flexión, mientras
que los tirantes de mayor longitud están en las condiciones de soportar las fuerzas
cortantes máximas.
“La intensidad de las tracciones desarrolladas en el cable y de los empujes en los
apoyos depende de la magnitud y posición de la carga“
Por eso cuando mayor sea la flecha, mayor será la amplitud del cable tendido
entre los puntos de apoyos con los pilones y esto genera que se produzcan
esfuerzos de tracción en menor intensidad.
Referencia
http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/13615/Estructuras%20formadas%20por%20cables.
pdf?sequence=1
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Objetivo 3
4.3 Analizar cómo están actuando las fuerzas internas en las diversas partes
de un puente colgante, mediante estudios físicos, para comprender los
efectos que producen y afectan a estas.
Para el análisis tenemos que tener muy en cuenta de que las fuerzas que afectan
hacen que la estructura funcione en si casi igual en todas sus pares estructurales
las fuerzas que están presentes con más frecuencia siempre son las conocidas
como las fuerzas de corte, fuerzas de tracción, fuerzas de compresión y los
esfuerzos soportados como por ejemplo en la losa como ya visto son fuerzas con
más frecuencia que afectan las estructuras del puente. Los momentos y las
fuerzas de restauración son bastante frecuentes.
De acuerdo a la teoría se deduce los esfuerzos de tracción que se da en los
tirantes y cables principales que son generados por las cargas vivas y carga
muerta, generalmente. El análisis de esta parte es sin duda una de las más
importantes en el proceso de diseño de un puente colgante ya que de eso se basa
un buen comportamiento estructural en conjunto.
En los pilotes se presentan los esfuerzos de compresión generado por la acción
de las cargas de los cables principales los cuales los distribuye en este. Es
necesario un análisis en la resistencia que debe tener este a estos efectos por
tanto se varia el material para los pilotes.
En la plataforma se analiza como si fuera una viga simplemente por tanto en esta
se presentan esfuerzos cortantes y momentos flectores los cuales son generados
por las distintas cargas mencionadas principalmente carga muerta y carga viva
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V. IMPACTO AMBIENTAL
Cabe resaltar que toda acción del hombre sobre la naturaleza, tiene su impacto
ambiental.
El impacto ambiental provocado por la ubicación del terreno
Los proyectos que al ocupar un territorio modifican las condiciones naturales por
acciones como la tala, compactación de suelo y otros.
En este aspecto el impacto ambiental recae sobre la alteración del medio natural
que afecta las condiciones de vida y las funciones vitales de los seres vivientes.
Por ejemplo la compactación de suelos modifica el terreno; ya que esta se
encarga de eliminar los espacios de vacíos, de compactar el suelo para que este
sea más firme y estable.
El impacto ambiental en los materiales de construcción
La gran demanda de materiales de construcción a mediados del siglo XX
comporta la necesidad de extraer y procesar gran cantidad de materias primas,
elaborar nuevos materiales y el tratamiento de una elevada cantidad de residuos
de construcción y demolición, con el coste energético que ello representa.
En términos estadísticos, se puede decir que el sector de la Construcción es
responsable del 50% de los recursos naturales empleados, del 40% de la energía
consumida (incluyendo la energía en uso) y del 50% del total de los residuos
generados.
Por lo que, el procesado de materias primas y la fabricación de los materiales de
construcción generan un alto costo energético y medioambiental. No obstante, el
reto a superar por la industria de la Construcción, es el empleo de materiales de
construcción de bajo impacto ambiental, dado que son estos los que más
repercuten sobre el medio natural, sin descartar otros impactos relacionados con
el consumo de energía o los residuos.
Los materiales de construcción inciden en el medio ambiente a lo largo de su ciclo
de vida, desde su primera fase (la extracción y procesado de materias primas)
hasta el final de su vida útil (tratamiento como residuo); siendo:
La fase de extracción y procesado de materias primas constituye la etapa más
impactante, dado que la extracción de rocas y minerales industriales se lleva a
cabo a través de la minería a cielo abierto.
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La fase de producción o fabricación de los materiales de construcción, en esta
fase los problemas ambientales derivan de dos factores: de la gran cantidad
de materiales pulverulentos que se emplean y del gran consumo de energía
necesario para alcanzar el producto adecuado. Los efectos medioambientales
se traducen en emisiones a la atmósfera de CO2, polvo en suspensión, ruidos
y vibraciones, vertidos líquidos al agua, residuos y el exceso de consumo
energético.
La fase de empleo o uso racional de los materiales, incide en el medio
ambiente, en la salud. Los contaminantes y toxinas más habituales en
ambientes interiores y sus efectos biológicos -inherentes a los materiales de
construcción en procesos de combustión y a determinados productos de uso y
consumo- van desde gases como ozono y radón, monóxido de carbono, hasta
compuestos orgánicos volátiles como organoclorados (PVC).
La fase final del ciclo de vida de los materiales de construcción coincide con
su tratamiento como residuo. Estos residuos proceden de derribos de edificios,
rechazos de materiales de construcción, etc. Se conocen habitualmente como
escombros, la gran mayoría no son contaminantes; sin embargo, algunos
residuos con proporciones de amianto, fibras minerales o disolventes y
aditivos de hormigón, que pueden ser perjudiciales para la salud. Estos
residuos se trasladan a vertederos, que producen un gran impacto visual y
paisajístico.
Uno de los efectos ambientales es el gasto energético (asociado a la fabricación
de materiales resistentes a tracción, como el acero).
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VI. OPINIÓN CRÍTICA
En la actualidad con el avance tecnológico se exige un grado de competencia en
los rubros de edificación con esto se pide que los conceptos de seguridad,
estética, impacto ambiental y la economía se interrelacionen de la mejor manera.
La elección de construir un puente en una determinada zona, está regida en el
análisis de las cargas que va estar dispuesto a soportar, siendo sin duda el puente
colgante una buena alternativa en distintos aspectos, aparte de la belleza que le
es característica.
Este tipo de puentes en la actualidad es uno de los más importantes y reconocidos
ya que su comportamiento estructural (que depende de la interacción de cada uno
de los elementos que lo componen) responde adecuadamente a las cargas que le
afectan. Y todo se basa en un correcto análisis de diseño en la fase de proyecto. Y
es un hecho que es uno de los más complejos en calcularlos.
“Esta tipología de puente es prácticamente la única solución posible para salvar
grandes luces. Entonces se utiliza menos material en comparación con otros tipos
de puente, desde el punto de vista de la luz que abarca, que conduce a un coste
de construcción reducida.”
Pero esto conlleva a distintos inconvenientes, dado que como es bastante extensa
es una estructura de “poca” rigidez que se hace vulnerable a fuertes cargas de
viento y no podría responder de la mejor manera a pesadas cargas móviles
concentradas (cargas vivas) por lo que se le debe propiciar de medidas especiales
encaminadas a darle la resistencia conveniente a los esfuerzos que más le
afectan.
Ing. CIVIL
UNSCH FISICA II
Ingeniería civil
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VII. CONCLUSIONES
7.1. CONCLUSIONES
1. El acero es resiste a esfuerzos de tracción, por lo que los cables y tirantes
de un puente colgante están hechos de acero. El concreto u hormigón
resiste esfuerzos de compresión, siendo este el material con el que
construyen los pilotes y estructuras que están sometidos a este tipo de
esfuerzo. Sin embargo el concreto no resiste esfuerzos de tracción; por lo
que el concreto es reforzado con acero, formándose así el concreto armado
usado en la plataforma, en las armaduras del puente colgante, ya que el
acero absorbe esfuerzos de tracción y el concreto, esfuerzos de
compresión.
2. La forma de los cables principales en un puente colgante se da producto de
la combinación del sistema de fuerzas, producida por las cargas,
generalmente carga muerta y carga viva. Además esta forma de gradiente
que crece con el avance de la distancia que se da en los tirantes, le brinda
la posibilidad de soportar los esfuerzos de tracción, además que aporta en
la resistencia de la plataforma a los esfuerzos de flexión.
3. Una parte fundamental del estudio de los efectos de las fuerzas en el
puente Colgate fueron en su mayoría esfuerzos de tracción que se da en
los cables principales, dado que esta es sin duda la parte más importante
en el estudio del comportamiento estructural del puente en conjunto que es
la parte del estudio del tema de elasticidad,
Ing. CIVIL
UNSCH FISICA II
Ingeniería civil
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BIBLIOGRAFÍA
1. http://caminos.udc.es/info/asignaturas/622/contenido_publico/recursos/P2_0
5_colgantes1.pdf
2. http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/1056/ZEGA
RRA_CIQUERO_LUIS_ANALISIS_DISEÑO_PUENTES_COLGANTES.pdf
3. http://www.revistasbolivianas.org.bo/pdf/rtc/v7n7/a06v7n7.pdf
4. http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/13615/Estructuras%20formadas
%20por%20cables.pdf?sequence=1