"Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria" TÍTULO:
“FUERZAS QUE ACTÚAN EN LA ESTRUCTURA DE UN PUENTE COLGANTE”
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DEDICATORIA A toda mi familia, y en especial a mis padres padr es por ser los seres más increíbles del mundo y que nunca dejaron de creer en mí y que lograría alcanzar esta meta, gracias por todo su amor ,cariño, comprensión, consejos y de vez en cuando regaños que fueron necesarios para llegar a ser el hombre que soy. A mi padre por ser mi mejor amigo, por ser el ejemplo de perseverancia y de positivismo que siempre he seguido, inculcándome siempre que la mejor manera para solucionar solucionar los problemas que se presentan en la vida es enfrentarlos. A mi madre por ser una gran mujer a quien admiro y quiero mucho, por darme siempre buenos consejos, su cariño, y llamarme la atención cuando ha sido necesario. A mi hermana, por haber sido tolerante conmigo, dar me su afecto y etenderme su mano cuando más la he necesitado. A todos ustedes gracias mil gracias, porque sin su apoyo no hubiese alcanzado alcanzad o esta meta de mi vida, siempre pedir! a "ios que los proteja y ayude siempre.
PUENTE
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DEDICATORIA A toda mi familia, y en especial a mis padres padr es por ser los seres más increíbles del mundo y que nunca dejaron de creer en mí y que lograría alcanzar esta meta, gracias por todo su amor ,cariño, comprensión, consejos y de vez en cuando regaños que fueron necesarios para llegar a ser el hombre que soy. A mi padre por ser mi mejor amigo, por ser el ejemplo de perseverancia y de positivismo que siempre he seguido, inculcándome siempre que la mejor manera para solucionar solucionar los problemas que se presentan en la vida es enfrentarlos. A mi madre por ser una gran mujer a quien admiro y quiero mucho, por darme siempre buenos consejos, su cariño, y llamarme la atención cuando ha sido necesario. A mi hermana, por haber sido tolerante conmigo, dar me su afecto y etenderme su mano cuando más la he necesitado. A todos ustedes gracias mil gracias, porque sin su apoyo no hubiese alcanzado alcanzad o esta meta de mi vida, siempre pedir! a "ios que los proteja y ayude siempre.
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I.- RESUMEN EJECUTIVO AMPLIADO
7l presente trabajo de investigación denominado como “FUERZAS QUE ACTÚAN
EN LA ESTRUCTURA DE UN PUENTE COLGANTE, se basa fundamentalmente en dar a conocer, identificar, preservar, difundir y recuperar los conocimientos acerca de las fuerzas que act8an sobre la estructura al construir un puente colgante usando la 'era ley de 9e:ton;ley de acción y reacción< , además de los esfuerzos a los cuales se encuentran sometidos los materiales que conforman el puente ;tracción, compresión, fleión y torsión<. #on este trabajo queremos que la población conozca los beneficios que podemos obtener al aplicar correctamente las leyes de ne:ton ;construcción de diversos puentes<. = a la vez nos puede beneficiar a proteger obstáculos naturales, como valles, ríos, lagos o brazos de mar> y obstáculos artificiales, como vías f!rreas o carreteras, que nos permite pasar sobre !l y con el fin de unir caminos. 7n la actualidad los puentes colgantes son muy usados ya que soporta el tráfico rodado y tambi!n líneas de ferrocarril ligeras, ya que los materiales de la construcción han mejorado. 7n forma específica nosotros veremos la aplicación de las fuerzas que act8an sobre una estructura, originando así que cada uno de sus elementos se encuentren
sometidos a distintos esfuerzos ;tracción, compresión, fleión y
torsión< que se originan en los cables, bases y columnas que conforman un puente colgante.
7ste documento busca fortalecer los conocimientos desarrollados en clase de física donde se observó diversos tipos de fuerzas ;tensiones, peso, reacción normal<, con el fin de que estas eperiencias sirvan para todas aquellas personas interesadas en mejorar definiciones y aplicaciones de t!rminos en la (ngeniería #ivil. 0rgullosamente y con muchas esperanzas esperamos que este canal de comunicación más directo
con
nuestros usuarios sea
acogido
por
los
interesados en el tema y que esta orientación permita mostrar las bondades que podemos obtener al saber aplicar las distintas fuerzas en una determinada estructura, como ejemplo tenemos el puente colgante ?olden ?ate 3ridge ;situado en #alifornia, 7stados @nidos, que une la península de 5an rancisco por el norte con el sur de Barín ,con una C ongi t ud totalD &.1'1 m y altura de &&1m<
II.- INTRODUCCIÓN @n puente colgante es un puente sostenido por un arco invertido formado por numerosos cables de acero, del que se suspende el tablero del puente mediante tirantes verticales. "esde la antigEedad este tipo de puentes han sido utilizados por la humanidad para salvar obstáculos. #on 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. 7l diseño actual de los puentes colgantes fue desarrollado a principios del s ig lo F(F. Cos primeros ejemplos incluyen el puente de Be nai, el de # on :y , ambos puestos en funcionamiento en %4& en el 9orte del -aís de ?al es, y el primer puente Gammersmith ;%4&1< en la zona 0este de Condres. 7l llamado ?old e n ?ate 3ridge, uno de los más famosos, y r!cord de longitud del vano central durante muchos años. 5an rancisco ;#ali fo r nia< Hrataremos con claridad algunas definicionesD IFuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de reposo o de movimiento. -ara que eista una fuerza es necesaria la presencia de dos cuerpos que interaccionen. I Te!"# es un tipo de fuerza, en la cual se acelera un objeto a trav!s de una cuerda o algo similar. I E!$uerz% se refiere a la magnitud de una fuerza aplicada en o sobre una superficie, dividida entre el área de dicha superficie. #ada elemento de una estructura puede soportar esfuerzos diferentes, que pueden ser de tracción, compresión, fleión, cortadura o cizalla y torsión.
III.- PRO&LEM'TICA Al no tener en claro las definiciones de los distintos esfuerzos ;tracción, compresión, fleión y torsión< podemos llegar a tener accidentes que aparte de traer gastos económicos puedan cobrar muchas vidas humanas.
Al faltar rigidez el puente se puede volver intransitable en condiciones de
fuertes vientos o turbulencias, y requeriría cerrarlo temporalmente al tráfico. 7sta falta de rigidez dificulta mucho el mantenimiento de vías ferroviarias, hay que saber que la fuerza principal en un puente colgante es la tensión que da origen a l esfuerzo de la tracción.
3ajo grandes cargas de viento, las torres ejercen un gran mo me nto ;fuerza en
sentido curvo< en el suelo, y requieren una gran cimentación cuando se trabaja en suelos d!biles, lo que resulta muy caro.
9o todos 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, como se vio en el desastre del puente de Hacoma 9arro:s<
IV.- O&JETIVO DE LA INVETIGACIÓN
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?797*AC75 I "ar a entender al mundo entero la importancia de los puentes colgantes en la ingeniería civil para así poder preservar recursos naturales o poder comunicar ciudades separadas por alg8n rio, brazo de mar, precipicios, etc. I 7ntender y comprender como es funcionamiento interno de las fuerzas sobre la estructura de puente colgante, principalmente en los cables y las bases que los sostienen.
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ortalecer nuestro conocimiento sobre las fuerzas que act8an en la estructura de un puente colgante en la ingeniería civil, ya que en nuestra carrera esto es un tema de suma importancia para así poder comprender las construcciones e infraestructura.
V.- JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 7ste trabajo cuenta con información sobre los puentes colgantes y los distintos esfuerzos ;tracción, compresión, fleión y torsión< que se originan por algunas fuerzas ;tensión, peso, reacción< en los materiales de su infraestructura, tambi!n se da a conocer la historia de los puentes, y algunos datos adicionales como es el puente más largo y significativo en el mundo actual.
VI.- MARCO TEORICO
(CONCEPTO ) DEFINICIONES &'SICAS
ESTRUCTURA* es un conjunto de elementos capaces de soportar fuerzas y trasmitirlas a los puntos donde se apoya con el fin de ser resistente y estable. 7stas fuerzas que act8an sobre una estructura se llaman cargas. 7jemplo de estructura de un puente colgante
Cas CARGAS pueden serD 7l
propio peso de la estructura
7l peso de los elementos que se colocan sobre ella.
7l viento que la empuja, la nieve que se posa sobre ella.
7tc.
TIPOS DE ESFUERZOS
K #uando una estructura está sometida a fuerzas, llamadas cargas, cada uno de sus elementos está sometido a esfuerzos. K ESFUERZOS* son las fuerzas que aparecen en los elementos de una estructura cuando está sometida a otras fuerzas o cargas. K #ada elemento de una estructura puede soportar esfuerzos diferentes, que pueden ser de
+ra,,"# ,%/re!"# $0e1"# ,%r+a2ura % ,"za00a 3 +%r!"#.
Así definiremos cada una de ellasD
LA FUERZA DE TRACCIÓN
7s el esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que act8an en sentido opuesto, y tienden a e stirarlo. 7n un puente colgante la fuerza de tracción se localiza en los cables prin cipales. @n cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas ;estiramientos< en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Ca fuerza de tracción es la que intenta estirar un objeto ;tira de sus etremos fuerza que soportan cables de acero en puentes colgantes, e tc.< 7l hecho de trabajar a tracción todos los componentes principales del puente colgante ha sido causa del escaso desarrollo que ha tenido este tipo de puente hasta el pasado siglo> así, ha permanecido en el estado primitivo que aun se encuentra en las zonas montañosas de Asia y Am!rica del 5ur ;simples pasarelas formadas por trenzados de fibras vegetales< hasta que se dispuso de materiales de suficiente resistencia y fiabilidad para sus tituirlas.
#ada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la tracción.
Algunas de ellas sonD elasticidad, plasticidad, ductilidad, fragilidad.
#uando te columpias, los tirantes de los que cuelga el asiento del columpio se encuentran bajo tensión. -or un lado reciben la fuerza de tu peso hacia abajo y por el otro, la fuerza hacia arriba de los goznes de los que cuelga el columpio. -ero a diferencia del caso de la silla, las dos fuerzas tienden a estirar los tirantes> a este tipo de fuerzas se les llama de tensión ;tambi!n llamados de tracción.<
FUERZA DE COMPRESION.
Ca fuerza de compresión es la resultante de las tensiones o presiones que eiste dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen o un acortamiento en determinada d irección. Ca fuerza de compresión es la contraria a la de tracción, intenta comprimir un objeto en el sentido de la fuerza.
Ca fuerza de compresión es un estado de tensión en el cual las partículas se aprietan entre sí. @na columna sobre la cual se apoya una carga, se halla sometida a una solicitación a la compresión. #ompresión es el estado de tensión en el cual las partículas se LaprietanL entre sí. @na
columna
sobre la cual se apoya un peso se halla sometido a
compresión, por ese motivo su al tura disminuye por efecto de la carga. @n ejemplo de fuerza de compresión es cuando te sientas en una silla, sus patas se encuentran bajo compresión. -or un lado reciben la fuerza de tu peso hacia abajo y por el otro, la fuerza hacia arriba. 7stas dos fuerzas tienden a comprimir la pata de la silla. 9ormalmente las sillas se construyen con materiales que son muy resistentes a la compresión.
FUERZA GRAVITATORIA
Ca gravitación es la fuerza de atracción mutua que eperimentan los cuerpos por el hecho de tener una masa determinada. Ca eistencia de dicha fuerza fue establecida por el matemático y físico ingl!s (saac 9e:ton en el siglo F/((, quien, además, desarrolló para su formulación el llamado cálculo de fluiones ;lo que en la actualidad se conoce como cálculo integral<. 3ien aplicando la Hercera Cey de 9e:tonD ;por cada fuerza que act8a sobre un cuerpo, !ste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. "icho de otra formaD Cas fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.< 7n un puente colgante deberá soportar el peso, a trav!s de los cables, y habrá una tensión y deberá ser mayor del otro etremo, al del peso del puente en los anclajes ;contraria sino el puente se va para abajo<. 7l viento tambi!n se toma en cuenta. 5i ya has visto fuerzas vectoriales, es ahí donde se aplican los principios
básicos. @n ejemplo si no te hundes en el piso, es porque eiste una fuerza de igual dirección y magnitud, pero de sentido contrario. Cas principales fuerzas son la carga que tiene que soportar el puente y el peso propio del puente ;por supuesto ahí es donde interviene la gravedad<."espu!s tienes la acción de los vientos, del agua si está construido sobre ella, etc. "igamos que el aspecto principal a tener en cuenta es que el puente debe soportar su propio peso y la carga transmiti!ndolo a los cimientos a trav!s de las columnas.
FUERZA DE CORTANTE Ca tensión cortante o tensión de corte es aquella que, fijado un plano, act8a tangente al mismo. 5e suele representar con la letra griega tau 7n piezas prismáticas, las tensiones cortantes aparecen en caso de aplicación de un esfuerzo cortante o bien de un momento torsor. 7n piezas alargadas, como vigas y pilares, el plano de referencia suele ser un paralelo a la sección transversal ;i. e., uno perpendicular al eje longitudinal<. A diferencia del esfuerzo normal, es más difícil de apreciar en las vigas ya que su efecto es menos evidente. 7jemplo de fuerzas cortantesD -ensemos en el puente hecho con un tronco de árbol. #uando te paras a la mitad de este puente, el tronco no se estira ni se comprime pero la fuerza de tu peso tiende a fracturarlo en su centro. Ca fuerza de tu peso y las que se generan en los dos puntos de apoyo del árbol sobre el suelo no están alineadas. A este tipo de fuerzas que act8an en los etremos del tronco y a la fuerza que se imprime en su parte central, se les llama cortantes, y la mayoría de los materiales son poco resistentes a ellas.
(FUNDAMENTO TEORICO "e la Hercera Cey de 9e:tonD ;-or cada fuerza que act8a sobre un cuerpo, !ste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. "icho de otra formaD Cas fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.<
Bira en un puente colgante deberá soportar el peso, a trav!s de los cables, y habrá una tensión y deberá ser mayor del otro etremo, al del peso del puente en los anclajes ;contraria sino el puente se va para abajo<. 7l viento tambi!n se toma en cuenta. Actualmente los puentes colgantes se utilizan casi eclusivamente para grandes luces> por ello, salvo raras ecepciones, todos tienen tablero metálico. 7l 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 eclusivamente a tracción, evitando gracias a su fleibilidad, que aparezcan fleiones en !l. 7l cable es un elemento fleible, lo que quiere decir que no tiene rigidez y por tanto no resiste fleiones.
5i se le aplica un sistema de fuerzas, tomará la forma necesaria para que en !l sólo se produzcan esfuerzos ailes de tracción> si esto lo fuera posible no resistiría. -or tanto, la forma del cable coincidirá forzosamente con la línea generada por la trayectoria de una de las posibles composiciones del sistema de fuerzas que act8an sobre !l. 7sta línea es el funicular del sistema de cargas, que se define precisamente como la forma que toma un hilo fleible cuando se aplica sobre !l un sistema de fuerzas. Ca curva del cable de un puente colgante es una combinación de la ,a+ear"a, porque el cable principal pesa, y de la parábola, porque tambi!n pesa el tablero> sin embargo la diferencia entre ambas curvas es mínima, y por ello en los cálculos generalmente se ha utilizado la parábola de segundo grado.
7l cable principal es el elemento básico de la estructura resistente del puente colgante. 5u montaje debe salvar el vano entre las dos torres y para ello hay que tenderlo en el vacío. 7sta fase es la más complicada de la construcción de los puentes colgantes. (nicialmente se montan unos cables auiliares, que son los primeros que deben salvar la luz del puente y llegar de contrapeso a contrapeso.
Ca mayoría de los grandes puentes colgantes están situados sobre zonas navegables, y por ello permite pasar los cables iníciales con un remolcador> pero esto no es siempre posible. #omo el sistema de cargas de los puentes es variable porque lo son las cargas de tráfico, los puentes colgantes en su esquema elemental son muy deformables. 7ste esquema elemental consiste en el cable principal, las p!ndolas, y un tablero sin rigidez, o lo que es lo mismo, con articulaciones en los puntos de unión con las p!ndolas. 7n la mayoría de los puentes colgantes, las p!ndolas que soportan el tablero son verticales.
VII.- SOLUCIÓN AL PRO&LEMA Actualmente los puentes colgantes se utilizan casi eclusivamente para grandes luces su estructura es principalmente constituida por un arco invertido ;catenaria< que debe ser enlazado a cada etremo del puente. 7l tablero suele estar suspendido mediante tirantes verticales que soportan grandes tenciones. Ca suspensión en los puentes más antiguos puedes hacerse por cadenas o barras enlazadas. -ero los puentes modernos tienen cables de acero esto es para mayor redundancia, así mismo las bases están hechas de fierros y hormigón que hacen una base más fuerte y estable. /79HA2A5D 7l vano central ;abertura, distancia a salvar entre los pilares o columnas del puente< puede ser muy largo, permitiendo comunicar cañones o vías de agua muy largos. -uede tener la plataforma a gran altura permitiendo el paso de barcos muy altos 9o se necesitan apoyos centrales durante su construcción, permitiendo construir sobre cañones o cursos de agua muy ocupados por el tráfico marítimo. 5iendo relativamente fleible, puede fleionar bajo vientos severos y terremotos donde un puente más rígido tendría que ser más fuerte. Cos cables son individuales permitiendo ser cambiados en el futuro, y así evitar problemas si este tendría un solo cable.
VIII.- CONCLUSIONES %. @n puente colgante es un puente sostenido por un arco invertido formado por numerosos cables de acero, del que se suspende el tablero del puente mediante tirantes verticales. &. Cos puentes colgantes conectan barrancos o vías de agua muy anchas, y los que tienen plataformas muy altas permite el paseo de grandes barrancos,. '. Cos puentes colgantes están hecho de materiales resistentes que hacen que aguanten su propio peso y el de otros cuerpos. +. Cas partes de un puente sonD #ables principales, encaje, armadura de fuerza, tablero, tensores, torre y pilar. . Cos puentes colgantes se sostienen por cuatro fuerzasD la fuerza de tracción, fuerza de comprensión, fuerza gravitatoria, fuerza cortante. . Ca fuerza de tracciónD 5e aplica en dos fuerzas opuestas se suelen localizar en los cables principales y se estira. 1. Ca fuerza de comprensiónD 7s lo contrario que la de tracción, es el resultado de tensiones y presiones se caracteriza por la reducción del volumen y acortamiento en direcciones y se mantiene en un estado donde las partículas se aprietan. 4. uerza ?ravitatoriaD 7s la atracción mutua con la Hierra por tener masa, donde soporta su propio peso y hace una resistencia entre el puente por el material en el que está hecho. 6. uerza #ortanteD 5e presenta en las vigas o pilares en sección transversal que se puede representar en planos. %M. #uando un puente colgante esta en reposo, es decir, sin movimiento, todas las fuerzas que act8an sobre !l se encuentran en equilibrio o, en otras palabras, la suma de todas las fuerzas es igual a cero, se anulan mutuamente. %%. Ca gravitación es la fuerza de atracción mutua que eperimentan los cuerpos por el hecho de tener una masa determinada. Ca eistencia de dicha fuerza fue establecida por el matemático y físico ingl!s (saac 9e:ton. %&. 3ien aplicando la Hercera Cey de 9e:tonD ;por cada fuerza que act8a sobre un cuerpo, !ste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que
la produjo. "icho de otra formaD Cas fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.<
I4.- REFERENCIAS &I&LIOGRAFICAS
5er:ay N 2e:et> ísica para #iencias e (ngeniería 1O edición> vol. % 7ditorial #79?A?7 C7A*9(9?> &MM6> (539D 614)61M)4)4&&M
Hipler N Bosca> ísica para la #iencia y la Hecnología O edición> 7ditorial *7/7*H7 &MM> (539D 4+&)6%+)+%)%&
redericP 3ueche N 7ugene Getch> ísica ?eneral %MO edición 7ditorial Bc?*AQ)G(CC> (539)%'D 614)61M)%M)%%)6
#ompetencias #ientíficas &. "aniel Alvares Arellano. ?rupo 7ditorial 90*BA. Biembro de la cámara 9acional de la (ndustria Beicana. 5egunda 7dición &MM4. 'M páginas.
#iencias & ísica. (srael ?uti!rrez #astillo. 5egunda reimpresión abril &MM6. '&M páginas.
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