Download - Puente de Armaduras o Cerchas
¿QUÉ ES UN PUENTE?
Es una construcción, por lo general artificial, que permite salvar un accidente geográfico o
cualquier otro obstáculo físico como un río, un cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un
cuerpo de agua, o cualquier obstrucción. El diseño de cada puente varía dependiendo de su
función y la naturaleza del terreno sobre el que el puente es construido. 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.
ELEMENTOS DE UN PUENTE:
Subestructura o Infraestructura:
Es la parte del puente que se encarga de transmitir las solicitaciones al suelo de cimentación, y
está constituida 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: También conocido como 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.
Superestructura:
Es la parte del puente donde actúa la carga móvil, y está constituido por:
Vigas principales: Reciben esta denominación por ser los elementos que permiten
salvar el vano, pudiendo tener una gran variedad de formas como con las vigas rectas,
arcos, pórticos, reticulares, entre otros.
Las vigas secundarias paralelas a las principales, se denominan longueras.
Diafragmas: Son vigas transversales a las anteriores y sirven para su arriostramiento
En algunos casos. Pasan a ser vigas secundarias cuando van destinadas a transmitir
cargas del tablero a las vigas principales.
Estas vigas perpendiculares pueden recibir otras denominaciones como ser viguetas o
en otros casos vigas de puente.
Tablero: Es la parte estructural que queda a nivel de subrasante y que transmite tanto
cargas como sobrecargas a las viguetas y vigas principales.
PRINCIPALES TIPOS DE PUENTES:
Según su estructura:
1. Puentes fijos: Puentes de vigas
Puentes de arcos
Puentes de armaduras
Puentes cantiléver
Puentes sustentados por cables
Puentes de pontones
2. Puentes móviles: Puentes basculantes
Puentes giratorios
Puentes de desplazamiento horizontal
Puentes de elevación vertical
Puente transbordador
Según el material:
Puentes de cuerdas Puentes de madera Puentes de mampostería Puentes metálicos:
1. Puentes de fundición
2. Puentes de hierro forjado.
3. Puentes de acero.
Puentes de hormigón armado. Puentes de hormigón preesforzado. Puentes mixtos.
USO DE LOS PUENTES:
Un puente es diseñado para trenes, tráfico automovilístico peatonal, tuberías de gas o
aguapara su transporte o tráfico marítimo. En algunos casos puede haber restricciones en su
uso. Por ejemplo, puede ser un puente en una autopista y estar prohibido para peatones y
bicicletas, o un puente peatonal, posiblemente también para bicicletas.
PUENTE DE ARMADURA
DEFINICIÓN:
Un puente de armadura es una especie de puente basado en diferentes tensiones en madera o
metal tirando juntamente cuando se aplica peso en él. El puente no tiene muchos elementos de
soporte inferiores, y mucho del apoyo proviene de la colocación de diferentes piezas de metal
por encima de él. Este tipo de puente está diseñado para sostenerse cuando se aplica peso
mediante la tensión de cada una de sus piezas, causando que pueda sostener la carga.
HISTORIA:
Los puentes de armadura son uno de los tipos más antiguos de grandes puentes en los
Estados Unidos. Los primeros puentes de armadura se construyeron alrededor de la década de
1820. Éstos se hicieron de madera en muchos casos y se utilizaron para transportar carros
pesados. Cuando el ferrocarril se hizo popular en la década de 1880 y 1890, este tipo de
puente empezó a ser construido de hierro y otros metales fuertes. Esto permitió a los trenes ir a
muchos lugares que de lo contrario no habrían podido ir. Muchos puentes famosos, tal como el
puente sobre el Río Kwan y el Garden Bridge en Shanghai, son puentes de armadura.
IDENTIFICACIÓN:
Todos los puentes de armadura están construidos sobre el mismo principio básico. Un puente
plano se coloca sobre la abertura y soportes en disposición horizontal y diagonal se agregan a
cada lado del puente para que tenga apoyo. Luego se construye una estructura sobre el puente
en el mismo patrón horizontal y diagonal para apoyar el puente desde arriba. De esta manera
cuando se aplica peso, todas las piezas del puente se sostienen juntamente, lo cual causa que
éste pueda soportar casi cualquier peso.
FUNCIÓN:
El propósito de este tipo de puente es habilitar la construcción de éstos en lugares que tengan
terreno inestable. Cuando los soportes de suelo son incapaces de ser construidos, el puente
tiene que ser apoyado de alguna otra manera. Aquí es donde entra en juego este tipo de
puente. Un puente de armadura también es capaz de soportar grandes cantidades de peso que
un puente tradicional.
TAMAÑO:
Los puentes de armadura pueden ser casi de cualquier tamaño. Hay algunos que son de unos
pocos pies de largo, cubriendo una pequeña abertura en el suelo, o ayudando a superar un
parche inestable del suelo. Sin embargo, hay algunos puentes de armadura que son bastante
largos. Hay un puente de armadura en Japón que se utiliza como un paso elevado y que tiene
casi una milla (1,6 kilómetros) de largo. Entre más largo es el puente, mayor será su necesidad
de apoyo.
SIGNIFICADO:
Los puentes de armadura han contribuido demasiado a la forma en que el mundo funciona en
la actualidad. Los ferrocarriles todavía usan puentes de armadura para que los trenes pasen
por encima. Sin la invención de este tipo de puente es improbable que el tren se hubiera hecho
tan popular. Esto significaría que el transporte sería más lento y las mercancías se quedarían
mucho más localizadas. Este tipo de puentes también se utilizan para el tráfico de automóviles.
Mientras que muchos otros tipos de puentes se utilizan para el paso de automóviles, este
puente es todavía una opción popular debido a su fuerza y capacidad para colocarse casi en
cualquier lugar.
TIPOS DE PUENTES DE ARMADURA
PUENTES DE ARMADURA RÍGIDA
Combinan las planchas y estribos de los puentes de placas con las vigas y estribos de los de
viga; esta combinación forma unidades sencillas sin articulaciones de unión entre las piezas.
Se construyen de hormigón armado o pretensado o de armaduras de acero rodeadas de
hormigón. De origen muy reciente, resultan sumamente útiles para separar en niveles los
cruces de carreteras y ferrocarriles. En estos cruces suele ser conveniente que la diferencia de
niveles sea mínima y los puentes de la clase que nos ocupa son susceptibles de recibir menor
altura en un mismo tramo que los otros tipos.
PUENTES DE ARMADURA SENCILLA
Las armaduras de los puentes modernos adoptan muy variadas formas. Las armaduras Pratt y
Warren, de paso superior o inferior, son las más utilizadas en puentes de acero de tramos
cortos. La Howe sólo se emplea en puentes de madera; sus miembros verticales, construidos
con barras de acero, están en tensión, al igual que el cordón inferior, que es de madera. Para
los puentes de tramos largos se emplea la armadura Parker, de cordón superior curvo, también
llamada armadura Pratt, y para los de vanos largos y viga de celosía sencilla se utilizan
estructuras con entrepaños subdivididos, como la armadura Warren;la Petit con cordones
paralelos, también denominada de Baltimore, la Petit con cordón superior inclinado, que
también se llama de Pensilvania, y. la viga de celosía en K . En la Petit y la Warren subdividida,
los órganos verticales cortos que aparecen en las figuras respectivas se suelen prolongar hasta
el cordón superior para servirle de soporte. Las armaduras para vanos largos están
subdivididas en forma que la longitud de los largueros no sea excesiva; a medida que aumenta
la anchura del vano, debe hacerlo la altura de la armadura tanto para evitar las flexiones
excesivas como por razones de economía. La Warren subdividida, Petit y K pueden ser de
tablero inferior superior y de diverso número de entrepaños en la armadura según las
necesidades de cada caso. Los miembros metálicos de los puentes con viga de celosía se
construyen de muy diversas formas. Los de madera adoptan secciones rectangulares.
ARMADURAS PLANASEs una estructura reticulada simple formada por elementos rectos de sección constante, cuya
longitud supera varias veces su sección transversal, se conocen como barras y se conectan
rígidamente en sus extremos denominados nodos o nudos, los esfuerzos actúan a lo largo de
su eje longitudinal. Las Armaduras planas o cerchas se utilizan para soportar cargas elevadas y
cubrir grandes luces, pueden construirse en maderas o acero y usadas en cubiertas de techos,
puentes, grúas, torres, etc.
Las armaduras planas de nudos articulados de acuerdo con la forma de crear la configuración
de una armadura pueden dividirse desde el punto de vista estructural en:
•Armaduras simples: o estáticamente determinadas, constituye la armadura bidimensional o
plana más sencilla, y ante la carga aplicad la única deformación posible es la que se origine por
pequeños cambios de longitud de sus barras. Una armadura simple puede formarse partiendo
de tres barras unidas por nodos en sus extremos formando un triángulo y luego extendiendo
dos nuevas barras por cada nuevo nodo o unión.
•Armaduras compuestas: Si dos o más armaduras simples se unen para formar un cuerpo
rígido, la armadura así formada se denomina armadura compuesta, de tal manera que cada par
comparta una sus articulaciones y se añada alguna barra adicional entre cada par de modo que
cualquier movimiento de una respecto de la otra esté impedido. Admiten una reducción al caso
anterior.
•Armaduras complejas: que engloba a cualquier celosía plana que no sea de los tipos
anteriores. Son estructuras hiperestáticas para las que se puede usar el método de Heneberg o
el método matricial de la rigidez. Si una armadura plana es de nudos rígidos, entonces es
hiperestática con independencia del número de nudos y barras. En esos casos usualmente se
calculan de modo aproximado suponiendo que sus nudos son articulados (si la son similares a
una celosía simple o compuesta), o de modo razonablemente más exacto por el método
matricial de la rigidez. De acuerdo con el uso y disposición de las cargas conviene una u otra
tipología o disposición de montantes verticales y diagonales.
ARMADURAS PLANAS ESTÁTICAMENTE DETERMINADAS
Una armadura se llama estáticamente determinada o totalmente isostática si se aplican
sucesivamente las ecuaciones de equilibrio mecánico, primero al conjunto de la estructura,
para determinar sus reacciones, y luego a las partes internas, para determinar los esfuerzos
sobre cada uno de los elementos que la integran.
Estas dos condiciones se llaman:
•Isostaticidad externa, cuando es posible calcular las reacciones usando exclusivamente las
ecuaciones de la estática. Para que eso suceda el número de grados de libertad eliminados por
los anclajes varios de la celosía debe ser a lo sumo de tres, puesto que sólo existen tres
ecuaciones independientes de la estática aplicables al conjunto de la estructura.
•Isostaticidad interna, cuando es posible determinar los esfuerzos internos de cada una de las
barras que forman la estructura, como veremos para que se dé esta condición se requiere una
cierta relación entre el número de barras y nudos. Una armadura plana, sólo puede ser
isostática si está formada por nudos articulados y las barras sólo transmiten esfuerzos a otras
barras en la dirección de su eje. Eso implica que en una armadura plana hiperestáticamente
determinada el momento flector es nula en todas las barras de la misma, estando solicitada
cada barra sólo axialmente. Como una estructura de barras articuladas sólo puede comportarse
rígidamente si cada región mínima encerrada por las barras es triangular, las armaduras planas
estáticamente determinadas están formadas por barras que forman regiones triangulares
adyacentes unas a otras. Además la condición de estar estáticamente determinada conlleva,
como vamos a ver, una relación entre el número de barras y nudos. Llamemos b al número de
barras y n al número de nudos.
Las condiciones de isostaticidad interna y externa requieren que el número de ecuaciones
estáticas linealmente independientes iguale al número de incógnitas:
1. Empecemos contando el número de incógnitas: si la estructura es externamente isostática
las reacciones totales dependerán de tres valores incógnita, por otro lado la condición de
isostaticidad interna requerirá que determinemos el valor del esfuerzo axial de cada barra. Esto
nos da b+3 incógnitas.
2. En cuanto al número de ecuaciones de la estática, al no existir momentos flectores y ejercer
cada barra sólo esfuerzo según su eje, se puede ver que en cada uno de los n nudos de la
estructura las fuerzas verticales y horizontales deben anularse, eso nos da dos ecuaciones por
nudo. En total podemos plantear el equilibrio de cada nudo independientemente por lo que el
número de ecuaciones totales es de 2n. La condición de isostaticidad de la armadura requerirá
por tanto b + 3 = 2n.
ARMADURAS DE NUDOS RÍGIDOS
Una armadura de nudos rígidos es un tipo de estructura hiperestática que geométricamente
puede ser similar a una armadura estáticamente determinada pero estructuralmente tiene
barras trabajando en flexión.
Un nudo se llama rígido si una vez deformada la estructura el ángulo formado inicialmente por
todas las barras se mantiene a pesar de que globalmente todo el nudo ha podido haber girado
un ángulo finito.
Puede probarse que dos armaduras de idéntica geometría, siendo los nudos de una rígidos y
los de los otros articulados, cumplen que:
1. La armadura de nudos articulados tiene esfuerzos axiales mayores que la de nudos rígidos.
2. La armadura de nudos articulados es más deformable.
3. La armadura de nudos rígidos presenta mayores problemas en el dimensionado de las
uniones
entre barras.
ARMADURAS TRIDIMENSIONALES
Las estructuras tridimensionales como estas se denomina “armaduras espaciales” si tienen
juntas que no ejercen pares sobre las barras (es decir, son articuladas en las tres direcciones,
comportándose como soportes de bola y cuenca) y si están cargadas y soportadas solo en sus
juntas o nudos. Las armaduras tridimensionales isostáticas se forman a partir de tetraedros.
Otra posibilidad común para las celosías tridimensionales es hacerlas de base cuadrada y
rigidizar de algún modo en el plano de las bases.
TIPOS DE ARMADURAS EN PUENTES
La mayoría de los tipos de armaduras usadas en la estructuración de cubiertas, puentes, han
sido llamadas así por el apellido o nombre de quien las diseñó por primera vez, por ejemplo, la
armadura tipo Howe, fue patentada en 1840 por William Howe. A continuación se describen
algunos de los tipos de armaduras más usadas en la ingeniería.
ARMADURA LONG
Este tipo de armadura debe su nombre a Stephen H. Long (1784-1864), y tiene su origen hacia
1835. Los cordones superior e inferior horizontales se unen mediante montantes verticales
todos ellos arriostrados por diagonales dobles, usados para aumentar la rigidez de la estructura
y su capacidad de resistir cargas laterales, tales como los movimientos sísmicos y la presión de
los vientos huracanados.
ARMADURA HOWE
La armadura Howe, fue patentada en 1840 por William Howe, aunque ya había sido usada con
anterioridad. Se usó mucho en el diseño de celosías de madera, está compuesta por
montantes verticales entre el cordón superior e inferior. Las diagonales se unen en sus
extremos donde coincide un montante con el cordón superior o inferior. Con esa disposición las
diagonales están sometidas a compresión, mientras que los montantes trabajan a tracción.
Este tipo de armadura no constituye un buen diseño si toda la celosía es del mismo material.
Históricamente se usó mucho en la construcción de los primeros puentes de ferrocarril. Con la
disposición Howe se lograba que los elementos verticales que eran metálicos y más cortos
estuvieran traccionados, mientras que las diagonales más largas estaban comprimidas, lo cual
era económico puesto que los elementos metálicos eran más caros y con la disposición Howe
se minimizaba su longitud.
ARMADURA PRATT
Originalmente fue diseñada por Thomas y Caleb Pratt en 1844, representa la adaptación de las
armaduras al uso más generalizado de un nuevo material de construcción de la época: el
acero. A diferencia de una armadura Howe, aquí las barras están inclinadas en sentido
contrario, de manera que las diagonales están sometidas a tracción mientras que las barras
verticales están comprimidas.
Eso representa ventajas si toda la armadura es de acero, ya que los elementos traccionados no
presentan problemas de pandeo aunque sean largos mientras que los sometidos a compresión
si pueden presentar pandeo, lo que obliga a hacerlos de mayor espesor. Puesto que el efecto
del pandeo es proporcional a la longitud de las barras interesa que los elementos más cortos
sean los que sufren la compresión. La armadura Pratt puede presentar variaciones,
normalmente consistentes en barras suplementarias que van desde las diagonales hasta el
cordón superior, dichas barras son usadas para reducir la longitud efectiva de pandeo.
ARMADURA WARREN
La armadura Warren, fue patentada por los ingleses James Warren y Willboughby Monzoni en
1848. El rasgo característico de este tipo de armaduras es que forman una serie de triángulos
isósceles (o equiláteros), de manera que todas las diagonales tienen la misma longitud.
Típicamente en una celosía de este tipo y con cargas aplicadas verticales en sus nudos
superiores, las diagonales presentan alternativamente compresión y tracción. Esto, que es
desfavorable desde el punto de vista resistente, presenta en cambio una ventaja constructiva.
Si las cargas son variables sobre la parte superior de la celosía (como por ejemplo en una
pasarela) las armaduras presentan resistencia similar para diversas configuraciones de carga.
ARMADURA VIERENDEEL
La armadura Vierendeel, en honor al ingeniero belga A. Vierendeel, tiene como características
principales las uniones obligatoriamente rígidas y la ausencia de diagonales inclinadas. De esta
manera, en una armadura Vierendeel, no aparecen formas triangulares como en la mayoría de
armaduras, sino una serie de marcos rectangulares. Se trata por tanto de una armadura
empleada en edificación por el aprovechamiento de sus aperturas.
OTROS TIPOS DE ARMADURAS
Tipos de armaduras para puentes Las formas típicas de armaduras para puentes con claros
simples serían las armaduras de Pratt, Howe y Warren se usan normalmente para claros de 55
m y de 61 de longitud. Para claros más grandes se usa una armadura con cuerda superior
poligonal, como la armadura Parker que permite algo de ahorro en material. También están las
armaduras subdivididas estas se usan cuando los claros mayores de 91 m y cuando se quiere
ahorrar algo de material la armadura K cumple los mismos propósitos.
MÉTODOS DE ANÁLISIS EXISTEN DOS TIPOS DE ANÁLISIS:
MÉTODO DE NODOSEste método consiste en analizar el equilibrio de cada junta o nodo una vez que se hayan
determinado las reacciones. Las fuerzas sobre los pasadores en las juntas están siempre en la
dirección de los elementos que hacen parte de estos; si el elemento comprime o empuja al
pasador, este ejercerá una fuerza igual y de sentido contrario sobre aquél, el cual estará
sometido a compresión. Si el elemento tira o hala al pasador, por reacción este halará al
elemento y en consecuencia estará sometido a
tracción. Las ecuaciones disponibles al analizar
el equilibrio de cada junta, para armaduras
planas son dos ya que se trata de equilibrio de
fuerzas concurrentes, por consiguiente el
número máximo de elementos que puede tener
la armadura para que sea estáticamente
determinado por la formula 2n-3 siendo n el
número de juntas. El 3 representa el número máximo de incógnitas en las reacciones.
MÉTODO DE SECCIONESEste método se basa en el hecho de que si una armadura, tomada como un conjunto, está en
equilibrio, cualquier parte de ella también lo estará. Entonces, si se toma una porción de la
estructura mediante un corte, de tal manera que no tenga mas de tres incógnitas, es posible,
mediante las tres ecuaciones independientes disponibles en el caso de fuerzas coplanares,
determinar las fuerzas en los miembros involucrados en el corte para obtener la solución
respectiva. Si por ejemplo se quiere determinar las fuerzas en los elementos FF, DF y DG, una
vez determinadas las reacciones se procede a hacer un corte. Si tomamos la porción derecha
(se puede tomar también la otra sección) y en los miembros cortados se indican las fuerzas
ejercidas sobre ellos (el sentido es arbitrario) se puede tomar entonces dicha sección como un
cuerpo rígido. Tomando se deduce que FDF=0, tomando momentos con respecto a H y
teniendo en cuenta el anterior resultado, se concluye que FEF=P y que el elemento esta a
compresión. Por último haciendo se concluye que FDG=P y el miembro DG esta sometido a
tracción. Los mismos resultados se obtienen si se considera la parte izquierda de la armadura.
El método de las secciones es particularmente útil cuando, por alguna razón, se requiere
determinar las fuerzas en algunos elementos en particular
PUENTES CON CERCHAS Los puentes con cerchas tienen la característica de ser muy ligeros y con una gran capacidad
de soportar cargas. Se utilizan principalmente en puentes que deben superar grandes
distancias, aunque para este tipo de estructuras los puentes atirantados, colgantes (cables) y
los puentes en vigas suelen ser más comunes.
Existen diferentes tipos de cercha, las cuales se construyen uniendo barras rectas entre sí. El
principio fundamental de las cerchas es unir elementos rectos para formar triángulos. Recuerda
que el triángulo es la única figura geométrica que es rígida, es decir, no se deforma cuando
está sometida a esfuerzos.
Las cerchas o armaduras son uno de los elementos estructurales que forman parte del conjunto
de las estructuras de forma activa. Para distinguir las propiedades de la cercha primero se
establece la definición donde se indica las ventajas, comportamiento, relación con el cable y
arco, materiales empleados para la construcción, elementos necesarios y los principales usos
dados a esta unidad estructural.
USOS
Las cerchas se emplean cuando se tiene luces libres grandes como puentes, sitios públicos y
estadios. Las cerchas paralelas se usan en recintos amplios (véase Figura 5), de cordones
superiores curvos se comportan similar a una estructura colgante o un arco y se emplean en
algunos puentes (véase Figura 6), en techos y entrepiso se emplean cerchas livianas tal como
se indica en la Figura 7, donde se observa un tipo de cercha empleado para techo y entrepiso
que corresponde a variaciones realizadas sobre la Warren (véase Figura 3 y 7). El rango de
luces de la cercha es de 15 a 30 m para cerchas de madera y 15 a 50 m para cerchas de acero
(Beer y Johnston, 1977; Engel, 2001; Nieto, 2006 y Salvadori y Heller, 1998).
PUENTE BAILEY
Un puente Bailey es un puente portátil prefabricado diseñado para uso militar. Se utiliza para
salvar luces de hasta 60 metros mediante el ensamblado de elementos de unos 3 metros de
longitud, fácilmente transportables en camión. Su ensamblado no requiere de herramientas
especiales o de equipo pesado, dura apenas unas horas y puede realizarse incluso bajo fuego
enemigo. Este puente fue diseñado como una solución al mayor peso de los nuevos tanques
que se estaban desarrollando en las primeras fases de la guerra. Esta invención es
considerada uno de los mejores ejemplos de ingeniería militar durante la Segunda Guerra
Mundial.
El Puente Bailey fue presentado a sus superiores por Donald Bailey, quien trabajaba en la
Oficina de Guerra del ejército británico durante la Segunda Guerra Mundial. La producción dio
comienzo en julio de 1941, entrando en servicio a partir de diciembre de ese mismo año. En
total, fueron fabricadas durante la guerra cerca de 490.000 toneladas de puentes Bailey,
sumando un total de 320 kilómetros de longitud de puentes fijos y unos 64 km de puentes
flotantes. Sus características permitieron que fuera usado en todos los teatros de operaciones,
aunque destaca su empleo en la invasión aliada de Italia y para la campaña del noreste
europeo que se produjo tras el desembarco de Normandía, gracias principalmente a que
Estados Unidos adquirió una licencia para su producción.
CONCLUSIONES
Un proyecto de construcción de puentes en general, es muy complejo ya que es hacer
múltiples estudios donde se utiliza múltiples ciencias como la estática.
La estática es fundamental ya que gracias a ella podemos determinar los esfuerzos a
los que es sometido la estructura y por lo tanto hacer un buen apoyo capaz de soportar
estas fuerzas.
Hay múltiples fuerzas a las cuales está sometido el puente por lo que debemos tener
en cuenta como estas actúan y como pueden afectar, ya sea deformándolas, como
fuerza cortante, etc.