MECANICA Y RESISNTECIA DE MATERIAS

PUENTES DE ACERO

Ing. Durand Porras, Juan Carlos

Docente

Integrantes:

Carmelo More, Miguel

Palma Chávez, Jesús

Guerrero León, Edgar

Universidad Privada del Norte (UPN-LIMA), Escuela de Ingeniería Industrial

Resumen

Los puentes han sido de vital importancia para el hombre, en su necesidad de trasladarse fácilmente atreves de terrenos abruptos y superficies acuosas, ha creado diversos tipos de puentes de distintos compuestos como madera, piedra, sogas, etc. A pesar de que los puentes tienen los mismos elementos en subestructura (pilas, estribos y cimientos) y superestructura (vigas principales y diafragma), podemos encontrar por su tipo (móviles o fijos) y según el material. Aprovechando las cualidades del acero se lograron construcciones cada vez más grandes, en especial los puentes, y a partir del s. XIX todos los puentes se construyeron de este material, utilizándolo para el traslado de trenes, automóviles, peatones entre otros; en la actualidad los podemos encontrar con vigas en celosía o rígidas compuestas de acero, dando forma a diferentes tipos de puentes como el Beam, Arch, Truss, Suspension, Cantilever y Cable Stayed, caracterizados por su durabilidad , uniformidad, elasticidad y evitando las vibraciones para mantenerse estabilizado, por ello realizaremos un ejercicio, utilizando la ley de Hooke y la características que debe cumplir un cuerpo para que se encuentre en equilibrio (ΣM=0 y ΣF=0), en conclusión podemos decir que la mecánica de materiales a influenciado la construcción de puentes de diversos tamaños, logrando cambiar la vida de los seres humanos, acercando las distancias geográficamente divididas.

INTRODUCCIONLos puentes son tan antiguos como la civilización misma, desde el momento que alguien cruzó una zanja o un río con piedra, troncos de árboles y lianas vegetales trenzadas empezó su historia. A lo largo de la misma ha habido realizaciones de todas las civilizaciones, pero los Romanos fueron los grandes ingenieros históricos, no habiéndose superado su técnica y realizaciones hasta los últimos dos siglos. El puente de Salamanca, Mérida, Medellín o los Acueductos de les Ferreres (Tarragona) son solamente algunas muestras de su arte e ingeniería que ha llegado hasta nuestros días.La aparición de nuevos materiales de construcción, principalmente el acero, dio paso a un replanteamiento de la situación. La teoría de estructuras elaboró los modelos de cálculo para la comprobación de los diseños cada vez más atrevidos de los ingenieros.

HISTORIA DE PUENTES DE ACEROEl empleo del hierro significó una transformación radical en la construcción en general, y en los puentes en particular; sus posibilidades eran mucho mayores que las de los materiales conocidos hasta entonces, y por ello se produjo un desarrollo muy rápido de las estructuras metálicas, que pronto superaron en dimensiones a todas las construidas anteriormente. Hoy en día sigue siendo el material de las grandes obras, y en especial de los grandes puentes, si bien el hierro que se utiliza ahora no es el mismo que se utilizó en los orígenes, porque el material también ha evolucionado significativamente; hay diferencia considerable de características y de calidad entre los aceros actuales, y el hierro fundido que se utilizó en un principio.

A finales del s. XIX, cien años después de la iniciación de los puentes metálicos, se empezó a utilizar el acero para construir puentes.Conseguir que los materiales de construcción sean dúctiles y no frágiles, es uno de los logros importantes de su tecnología.El acero se conocía mucho antes de que se empezara a fabricar industrialmente a finales del s. XIX, y de hecho se había utilizado en algún puente aislado; ejemplo de ello son las cadenas del puente colgante sobre el Canal del Danubio en Viena, de 95 m de luz, terminado en 1828. Pero era un material caro hasta que en 1856 el inglés Henry Bessemer patentó un proceso para hacer acero barato y en cantidades industriales, mediante un convertidor donde se insuflaba aire en el hierro fundido que reducía las impurezas y el contenido de carbono.El primer gran puente cuya estructura principal es de acero es el de San Luis sobre el río Mississippi en los Estados Unidos, proyecto de James B. Eads en 1874, con tres arcos de 152+157+152 m de luz.

Los dos grandes puentes de finales del s. XIX fueron también de los primeros que se hicieron con acero: el puente de Brooklyn y el puente de Firth of Forth.Desde finales de s. XIX el acero se impuso como material de construcción sobre el hierro, y por ello, a partir de entonces, todos los puentes se han hecho de acero.

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 sub rasante 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 Acero

Los puentes de acero construidos han permitido alcanzar luces importantes. Los puentes sobre vigas metálicas pueden vencer luces de hasta 45 m (similar al preesforzado tradicional), mientras que con puentes metálicos en celosías se ha alcanzado los 80 m, y con puentes metálicos en arco se ha llegado hasta 100 m, constituyendo luces importantes.

Vista Inferior

Los puentes metálicos están conformados por elementos longitudinales de sección transversal limitada, que resisten las cargas por la acción de flexión. La acción de las cargas es transversal a la longitud del elemento (acción de viga); se presentan en la sección transversal, simultáneamente, esfuerzos de tensión y compresión, complementados con los de corte, generalmente pequeños; la transmisión de fuerzas a flexión es mucho menos eficiente que la  transmisión axial.

Vigas rígida

Las vigas son elementos estructurales que pueden soportar cargas apreciables con alturas limitadas. Sin embargo, esta condición hace que las deflexiones sean grandes y requieran ser controladas, mediante alturas mínimas. También exige que los materiales usados puedan resistir esfuerzos de tensión y compresión de casi igual magnitud. Para  optimizar su uso, la industria de la construcción ha desarrollado los denominados «perfiles estructurales de ala ancha» de acero estructural, los cuales, sin embargo, tienen limitaciones por la posibilidad de pandeo en la zona de compresión de la viga.

Viga celosía

En vigas en «celosía», como la sección no es continua, las fuerzas resultantes de compresión y tensión se concentran en los elementos de la parte superior e inferior, y actúan en sus áreas transversales; el brazo del par o momento resistente, característico de la flexión, es prácticamente constante, pues no existe la distribución triangular de esfuerzos. La capacidad a cortante de la viga es suministrada por los elementos diagonales, que en este caso actúan a compresión.

Características de puentes metálicos

Uniformidad.- Las propiedades del acero no cambian considerablemente con el tiempo.

Alta resistencia.- La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será poco el peso de las estructuras, esto es de gran importancia en puentes de grandes claros.

Durabilidad.- Las estructuras durarán de forma definitiva si tienen un adecuado mantenimiento.

Ductilidad.- Es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil permite fluir localmente evitando fallas prematuras.

Tenacidad.- Poseen resistencia y ductilidad, siendo la propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades.

Elasticidad.- Se acerca más a la hipótesis de diseño debido que sigue la ley de Hooke.

Costo de recuperación.- Se los puede reutilizar como chatarra.

Tipos de puentes metálicos

DISEÑO DE PUENTES DE ACERO:

Todo puente debe ser diseñado para soportar con seguridad todos los vehículos que puedan pasar sobre él, durante su vida útil. Sin embargo, no es posible para el diseñador conocer con exactitud que vehículos solicitarán la estructura o cuál será la vida útil del mismo.

Para garantizar la seguridad de la estructura, se deben mantener algunas medidas de control y hacerse algunas previsiones en cuanto a la resistencia para soportar cargas actuales y futuras.

Control de vibraciones en puentes

Los puentes deben cumplir los requisitos de los Estados Límite de Servicio bajo los efectos dinámicos de las cargas de tráfico, ferrocarril, peatones, bicicletas y viento.

Las vibraciones en puentes y pasarelas no deben causar inquietud en los pasajeros de vehículos, circulando o detenidos sobre el tablero, ni en los peatones, si se proyectan aceras transitables. También resulta conveniente limitar el nivel de emisión de ruidos a causa de las vibraciones, especialmente en puentes ubicados en entornos urbanos.

Consideraciones de durabilidad

Generalidades

La durabilidad de una estructura de acero es su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural.

Una estructura durable debe conseguirse con una estrategia capaz de considerar todos los posibles factores de degradación y actuar consecuentemente sobre cada una de las fases de proyecto, ejecución y uso de la estructura.

Estrategia para la durabilidad:

En el proyecto se definirán los esquemas estructurales, las formas geométricas y los detalles que sean compatibles con la consecución de una adecuada durabilidad de la estructura. El proyecto debe facilitar la preparación de las superficies, el pintado, las inspecciones y el mantenimiento.

Debe evitarse la corrosión potencial en orificios estrechos, hendiduras ciegas y uniones solapadas, mediante un sellado eficaz, que en general estará constituido por soldaduras continuas

Sobre espesores en superficies inaccesibles

Las superficies de estructura de acero sometidas a riesgo de corrosión que sean inaccesibles a la inspección y mantenimiento y que no sean adecuadamente selladas, deberán tener inicialmente una protección adecuada a la vida útil prevista, debiendo además incrementarse el espesor del acero estrictamente resultante del cálculo estructural, con un sobreespesor que compense el efecto de la corrosión durante la vida útil.

Utilización de aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica

Los aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica podrán utilizarse sin pintura de protección en las superficies exteriores, incrementando el espesor nominal, obtenido en el cálculo, en 1 mm por la superficie expuesta al ambiente exterior. En la superficie interior de secciones cerradas inaccesibles se aplicará pintura de protección adecuada a la vida útil prevista, y sobre espesor de acero.

Detalles constructivos

Se recomienda evitar los detalles constructivos indicados como inadecuados en las figuras que siguen, empleando los considerados adecuados en las mismas.

Consideraciones constructivas

Materiales:

Certificados de calidad de origen del material en cuanto a posición química y resistencia.

Ensayos de tensión, análisis químico.

Verificar la homogeneidad del material por medio de ultrasonido y medición de espesores de algunas láminas.

Calidad:

Cumpliendo con las especificaciones, la calidad del producto (control de cronogramas, materiales, fabricación, embalaje y montaje).

Ensamble:

Consiste en el armado y soldadura de un elemento principal que se compone de platabandas, almas, atiesadores, cartelas, ángulos de conexión, etc.

Pre-ensamble:

Rectificar longitud total y camber o contraflecha del puente

Corregir defectos e imprecisiones por el proceso de preparación y soldadura del material

Confirmar el ensamble adecuado y ajuste de uniones de campo, estampe del soldador.

Revisión detallada dimensional.

Cálculos:

Reacciones:

+∑ MB = 0 = -19cm x 40N -56cm x 30N - 93cm x 20N + Ay.112cm = 0

Ay = 38.4N

∑Fx = 0 : Ay+By-20N-30N-40N = 0

Ay+38AN-90N = 0

By = 51.6N

54.3N

Fuerza en la burn:

Nodo A:

θ = tan-1 (19cm/19cm) = 45o

∑Fy = 0

FAL sen45o+38.4N = 0

FAL = -54.3N

FAL = 54.3N

∑Fx = 0

FAL cos45o+Fac = 0

-54.3N.Cos45o+FAC= 0

FAC = 38.4N

Nodo L:

∑Fx = 0

FLK+54.3N = 0

FLK = 54.3N

Fy = 0 : FCL = 0

FAC

θ

FAL

X∞θ

Y

38.4N

XFLK

FCL

Y

Nodo C:

+ ∑Fx = 0 FCK = 0

∑Fx = 0 FCD = 38.4N = 0

FCD = 38.4N

Nodo K:

∑Fy = 0

-20N –FKD.Sen 45o+54.3N.Sen 45o = 0

FKD = 26.0N

∑Fx = 0

FKJ+FKD.Cos 45o+54.3N.Cos 45o = 0

FKJ = -56.7N

FKJ = 56.7N

YFCK

FCDXC

38.4N

+

θ XFKJ

Y20N

θ

54.3N FKD

Nodo D:

∑Fy = 0

FDJ Sen 45o+26.0N.Sen 45o = 0

FDJ = -26.0N

FDJ = 26.0N

Nodo E:

∑Fy = 0

FEJ = 0

∑Fx = 0

FEF-75.2N = 0

FEF = 75.2N

Nodo J:

Y FDJ

XFDED38.4N

26.0N

θθ

XE FEF

Y

75.2NFEJ

Y

FJF

30N

XFJIJ

26.0N

56.8θ θ

∑Fy = 0

-FJF Sen 45o+26.0N.Sen 45o-30N = 0

FJF = 16.4N

∑Fx = 0

FJF.Cos 45o +FJI+26.0N.Cos 45o+56.8 = 0

-16.4N.Cos 45o+FJI+26.0N.Cos 45o+56.8 = 0

FJI = -63.6N

Nodo F:

∑Fy = 0

FFI. Sen 45o-16.4N.Sen 45o =0

FFI = 16.4N

∑Fx = 0

FFG+FFI Cos 45o+16.4N.Cos 45o-75.2N = 0

FFG+16.4N.Cos 45o+16.4N.Cos 45o-36.8N = 0

FFG = 52.0N

Nodo I:

∑Fx = 0

FFG

Y

θθ

F

FFI16.4N

75.2

θ

FIGFIH

θ

Y

I

16.4N

63.6N

FIH.Cos 45o+63.6N-16.4N.Cos 45o = 0

FIH = -73.5N

FIH = 73.5N

∑Fy = 0

-40N-FIH Sen 45o-FIG-16.4N.Sen 45o = 0

-40N+73.5N.Sen 45o-FIG-16.4N.Sen 45o = 0

FIG = 0

Nodo B:

∑Fy = 0

FBH.Sen 45o+51.6N = 0

FBH = 73.0N

∑Fx = 0

-FBH Cos 45o-FBG =0

FBG = 51.6N

Nodo H:

Y

X51.6NFBG

θ

FBH

X

73.0N

Y73.5N

FHG

∑Fy = 0

FHI = 0

∑Fx = 0

73.5N-73.0N = 0

0.5 = 0 (O,K)

Nodo G:

∑Fx = 0

-52.0N+51.6N = 0

0.4 = 0 (O,K)

CONCLUSION

Como se ha podido apreciar, los puentes son estructuras que pueden cambiar la vida de los seres humanos, pues significan más que el acceso a un territorio inicialmente dividido por características geográficas, sino que representan una serie de oportunidades para las sociedades involucradas, ya sea en el ámbito social, cultural y económico.

Esto muestra que las ventajas superan significativamente a las desventajas, convirtiendo la construcción de puentes en una inversión rentable y de gran beneficio para las comunidades involucradas, ya sea como parte del plan de gobierno brindando inclusión a pueblos o en el ámbito de empresas particulares acortando trechos para agilizar su recorrido de producción.

Es de hacer notar que, los puentes son una parte importante del patrimonio en infraestructura del país, debido a que son puntos medulares en una red vial para la transportación en general y en consecuencia para el desarrollo de los habitantes. Preservar este patrimonio de una degradación prematura es, pues, una de las tareas más importantes de cualquier administración de carreteras sea pública o privada.

Para ello hay que dedicar medios humanos y técnicos suficientes que permitan tener un conocimiento completo y actualizado de su estado, que permita definir el volumen de recursos necesarios para su conservación, y garanticen el empleo óptimo y eficaz de dichos recursos.

Finalmente en la realización del proyecto impulsado por la cátedra de mecánica aplicada, logramos alcanzar los objetivos propuestos desde sus inicios, adquiriendo experiencia durante el tiempo que se llevó a cabo, desde la planeación, revisión de conceptos y conocimientos obtenidos en clases, partiendo desde las estructuras usadas en la ingeniería llamadas armaduras, las cuales son aplicadas especialmente para el diseño y construcción de puentes y edificios. El estudio de estas fue nuestra principal base teórica para la ejecución de nuestro proyecto.