PUENTES DE ARMADURA
FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL AMBIENTAL ESTATICA
INFORME TEMA: PUENTES DE ARMADURA
INTEGRANTES: PORTAL MIDEROS, César Augusto
Chiclayo, 27 de Marzo 2013
DEDICATORIA ...................................................................................................................................... AGRADECIMIENTO ............................................................................................................................. CAPÍTULO 1.
DISEÑO DE PUENTES ........................................................................................
.................................................................... ............................................. ............................................ .......................... .... 1 Introduccion ............................................. Estudios preliminares ........................................... .................................................................. ............................................. .................................... .............. 3 Estudios Topográficos ......................................... ............................................................... ............................................ ................................. ........... 3
................................................................. ............................................ ............................. ....... 4 Hidrología e Hidráulica ........................................... Estudios de Geología ........................................... ................................................................. ............................................ ................................. ........... 6 Ensayos de Campo y Laboratorio ............................................ .................................................................. .................................... .............. 8
............................................................... ............................................. .................................... .............10 Resistencia Sísmica ......................................... Impacto Ambiental ......................................... ............................................................... ............................................. .................................... ............. 12
................................................................... ............................................. ................................... ............. 15 Estudio de trafico ............................................ Estudio de trazo y diseño vial de accesos .......................................... ............................................................... ..................... 15 CAPÍTULO 2.
TIPOS Y ANALISIS DE PUENTES ......................................................................
................................................................. ............................................ ............................................ ........................... ..... 20 Clasificación ........................................... Tipos de Armaduras ........................................... ................................................................. ............................................ ....................................... .................27 Métodos de Análisis ........................................... ................................................................. ............................................ ...................................... ................ 34 CAPÍTULO 3.
EQUILIBRIO EN LOS PUENTES .......................................................................
................................................................ ....................................... .................37 Fuerzas que actúan sobre un puente .......................................... Cargas Permanentes ............................................. .................................................................... ............................................. ................................... .............37
.................................................................. ............................................ .......................................... .................... 38 Cargas Variables ............................................ Fuerza Longitudinales ........................................... .................................................................. ............................................. .................................. ............ 38 Cargas de Viento ............................................ .................................................................. ............................................ .......................................... .................... 39
................................................................. ............................................ ...................................... ................ 39 Fuerzas Centrífugas ........................................... Presión de la Corriente .......................................... ................................................................. ............................................. .................................. ............ 39 Fuerzas de origen origen Sísmico Sísmico ............................................ .................................................................. ............................................ ........................... ..... 39
................................................................... ............................................ ...................................... ................ 40 Fuerza de tracción ............................................. ................................................................. ............................................. ................................... ............. 41 Fuerza de compresión .......................................... Fuerza gravitatoria ..................................... ........................................................... ............................................ .......................................... .................... 42 Fuerza cortante .......................................... ................................................................ ............................................ .......................................... .................... 43 BIBLIOGRAFIA.......................................... ................................................................. ............................................. ............................................ ........................ 44
DEDICATORIA A nuestros padres que siempre siempre están ahí Apoyándonos y preocupándose preocupándose por nuestra formación
AGRADECIMIENTO A nuestros profesores que incentivan incentivan la investigación investigación temprana con respecto a nuestra carrera y a todas las personas que hicieron esto posible
CAPITULO 1: DISEÑO DE PUENTES I.
INTRODUCCION
Los puentes son probablemente de las estructuras más antiguas de las que se tiene noticia. Tienen como finalidad el salvar un obstáculo, tal como un valle, río o carretera, con el fin de comunicar dos puntos, permitiendo el paso de personas, vehículos o trenes. La principal función de un puente, es la de unir dos puntos alejados, con un margen adecuado de seguridad, por medio de una serie de elementos estructurales que pueden ser de diversos materiales, tales como: madera, piedra, ladrillo, concreto simple, concreto reforzado, acero estructural o mixtos. La estructura de un puente está formada por la súper-estructura, la sub-estructura y la infra-estructura. La súper-estructura está constituida por un sistema de piso y por elementos estructurales necesarios para resistir las distintas cargas a las que se encontrará sujeta la estructura. La sub- estructura o cimentación consta de una serie de pilas que a manera de columnas, se desplantan a un nivel de terreno capaz de desarrollar las reacciones supuestas en el proyecto. En algunos casos los apoyos extremos además de transmitir fuerzas verticales, tendrán que diseñarse diseñarse como muros de retención. La infra-estructura es la transmite las cargas de la cimentación a los estratos de suelo resistentes, por lo que se encuentra por debajo de la cimentación, y está constituida por pilotes, cajones de cimentación, por citar algunas. Los puentes pueden clasificarse de diversas maneras, como son:
Por su uso: para caminos, ferrocarriles, peatonales, canales, tuberías, mixtos Según su duración: provisionales, definitivos Por su condición: fijos, móviles, desmontables Por la forma de efectuar el cruce: normal, diagonal 1
Por la posición relativa del piso con respecto a los elementos principales de soporte: de paso superior, de paso inferior de, paso a través.
PARTES DE UN PUENTE
Subestructura
La subestructura sirve de apoyo a la superestructura, está conformada por la cimentación, los estribos y las pilas.
Cimentación
Encargada de transmitir al suelo de fundación las cargas propias de la subestructura, de la superestructura y de las cargas que operan sobre el puente esta puede ser superficial o profunda, superficial como zapatas de concreto reforzado o profundas como Caisson o pilotes de concreto reforzado ya sea hincados (pilotes).
Estribos
Son las estructuras ubicadas en los extremos de los puentes (accesos) y soportan la superestructura, además sirven para contención de los terraplenes.
Superestructura
Es la parte del puente que recibe directamente la carga viva. Su posición relativa con
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respecto a la subestructura es variable, pudiendo ser superior intermedia o inferior.
II.
ESTUDIOS PRELIMINARES
Los estudios preliminares son todos aquellos que sirven para obtener los datos necesarios para la elaboración de los anteproyectos y proyecto de un puente Los estudios que pueden ser necesarios dependiendo de la magnitud y complejidad de la obra son:
Estudios topográficos
Estudios Hidrológicos e Hidráulicos Estudios Geológicos y Geotécnicos Ensayos de Campo y Laboratorio Estudios de Riesgo sísmico Estudios de Impacto Ambiental
Estudios de trafico Estudios de Trazo y Diseño Vial de accesos
1) ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS
Objetivos Se tendrá como objetivos: a) Realizar los trabajos de campo que permitan elaborar los planos topográficos correspondientes. b) Proporcionar la definición precisa precisa de la ubicación y las dimensiones dimensiones de los elementos estructurales. c) Establecer puntos de referencia para el replanteo durante la construcción. 3
d) Proporcionar información de base para los estudios de hidrología e hidráulica, geología, geotecnia, así como la ecología y sus efectos en el medio ambiente. Los estudios topográficos deberán comprender como mínimo lo siguiente:
Levantamiento topográfico general de la zona del proyecto, documentado en planos a escala entre 1:500 y 1:2000 con curvas de nivel a intervalos de 1m y comprendiendo por lo menos 100 m a cada lado del puente en dirección longitudinal (correspondiente al eje de la carretera) y en dirección transversal (la del río u otro obstáculo a ser transpuesto). tr anspuesto). Definición de la topografía de la zona de ubicación del puente y sus accesos, con planos a escala entre 1/100 y 1/250 considerando curvas de nivel a intervalos no mayores que 1 m y con secciones verticales tanto en dirección longitudinal longitudinal como en dirección transversal. Los planos deberán indicar los accesos del puente, así como autopistas, caminos, vías férreas y otras posibles referencias. Deberán indicarse igualmente con claridad la vegetación existente. existente. En el caso de puentes sobre cursos de agua deberá hacerse un levantamiento detallado del fondo. Será necesario indicar en planos la dirección del curso del agua y los límites aproximados de la zona inundable en las condiciones de aguas máximas y mínimas, así como los observados en eventos de carácter excepcional. Cuando las circunstancias lo ameriten, deberán indicarse los meandros del río. Levantamiento catastral de las zonas aledañas del puente, cuando existan edificaciones u otras obras que interfieran con el puente o sus accesos o bien que requieran ser expropiadas.
2) ESTUDIOS HIDROLÓGICOS E HIDRÁULICOS
Objetivos
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Los objetivos de estos estudios son establecer las características hidrológicas de los regímenes de avenidas máximas y extraordinarias y los factores hidráulicos que conllevan a una real apreciación del comportamiento hidráulico del río que permiten definir los requisitos mínimos del puente y su ubicación optima en función de los niveles de seguridad o riesgos permitidos o aceptables para las características particulares de la estructura. Los estudios de hidrología e hidráulica para el diseño de puentes deben permitir establecer lo siguiente:
Ubicación optima del cruce.
Caudal máximo de diseño hasta la ubicación ub icación del cruce.
Comportamiento hidráulico del rio en el tramo que comprende el cruce.
Área de flujo a ser confinada por el puente. puente.
Nivel máximo de aguas (NMA) en la ubicación del puente.
Nivel mínimo recomendable para el tablero del puente.
Profundidades de socavación general, por contracción y local
Profundidad mínima recomendable para la ubicación de la cimentación según su tipo. Obras de protección necesarias.
Los estudios hidrológicos e hidráulicos deben comprender lo siguiente:
Evaluación de estudios similares realizados en la zona de ubicación del puente; en el caso de un reemplazo de un puente colapsado es conveniente utilizar los parámetros de diseño anteriores. Visita de campo; reconocimiento del lugar tanto en la zona de cruce como de la cuenca global.
Recolección y análisis de información hidrométrica y meteorológica existente.
Caracterización hidrológica de la cuenca, considerada hasta el cruce del curso del agua con base a la determinación de las características de las respuestas de lluvia-escorrentía, y considerando aportes adicionales en la cuenca.
Selección de los métodos de estimación del caudal máximo de diseño.
Estimación de los caudales máximos para diferentes periodos de retorno y según distintos métodos; en todos los casos se recomienda llevar a cabo una prueba de ajuste de los distintos métodos de análisis para la selección s elección del mejor.
Selección de secciones transversales representativas representativas del cauce y la obtención del perfil longitudinal. 5
Determinación de las características hidráulicas del flujo. Determinación de las profundidades de socavación general por contracción total y local. Recomendaciones de protección y/o consideraciones de diseño adicionales. Los puentes ubicados en el cruce con un curso de agua deben ser diseñados de modo que las alteraciones y obstáculos que estos representen ante este curso de agua sean previstos y puedan ser admitidos en el desempeño de la estructura a lo largo de su vida útil o se tomen medidas preventivas. Para esto deben establecerse las características hidrogeodinàmicas del sistema fluvial con el objeto de determinar la estabilidad de la obra respecto al comportamiento del cauce.
3) ESTUDIOS GEOLÓGICOS Los objetivos de los estudios geológicos son establecer las características geológicas, tanto local como general de las diferentes formaciones geológicas que se encuentran identificando tanto correspondientes.
su
distribución
como
sus
características
geotécnicas
El programa de estudios deberá considerar exploraciones de campo, cuya cantidad será determinada con base a la envergadura del proyecto. Los estudios geológicos comprenderán:
Descripción Geomorfológico.
Zonificación geológica de la zona.
Identificación y características de fallas geológicas.
Definición de zonas de deslizamientos, huaycos y aluviones sucedidos en el pasado y de potencial ocurrencia en el futuro. Definición de las propiedades físicas y mecánicas de suelos y/o rocas
ESTUDIOS GEOTÉCNICOS Los objetivos de estos estudios son establecer las características geotécnicas, es decir, la estratigrafía, la identificación y las propiedades físicas y mecánicas de los suelos para el diseño de cimentaciones cimentaciones estables.
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El estudio debe considerar exploraciones de campo y ensayos de laboratorio, cuya cantidad será determinada con base a la envergadura del proyecto en términos de su longitud y las condiciones del suelo. Los estudios deberán comprender la zona de ubicación del puente, estribos, pilares y accesos Los estudios geotécnicos deberán comprender lo siguiente:
Ensayos de campo en suelos y/o rocas
Ensayos de laboratorio en muestras de suelo y/o roca extraídas en la zona
Descripción de las condiciones del suelo, estratigrafía e identificación de los estratos de suelo o base rocosa Definición de tipos y profundidades de cimentación adecuada, así como parámetros geotécnicos preliminares para el diseño del puente al nivel de anteproyecto
Presentación de los resultados y recomendaciones sobre especificaciones constructivas y obras de protección.
Sondajes La cantidad y profundidad de sondajes deberá tomar en cuenta la magnitud y complejidad del proyecto. En el caso de puentes de hasta 100 metros, se preverá como mínimo un sondaje de exploración por cada componente, sea éste estribo, zapata, pilar, bloque de anclaje, grupo de pilotes, etc. Dependiendo Dependiendo de las características características del proyecto y del tipo de terreno este mínimo podrá reducirse a un solo sondaje complementado complementado por ensayos de refracción sísmica. En caso de puentes de gran longitud, deberá tomarse en cuenta la variabilidad de las condiciones del terreno a lo largo del eje del puente. La profundidad de las exploraciones y sondajes estará definida considerando un pre dimensionamiento dimensionamiento de la cimentación y las condiciones c ondiciones locales del subsuelo. Si las condiciones locales del subsuelo lo requieren, se requerirá extender la profundidad de los sondajes, por debajo del nivel de cimentación, de 2 a 3 veces el ancho previsto de las zapatas ó 2 metros bajo el nivel inferior de las cimentaciones profundas. En el caso de macizos rocosos, se requerirá extender la profundidad de los sondajes de 1 a 3 metros por debajo del nivel estimado de cimentación. ENSAYOS DE CAMPO son realizados para obtener los parámetros de resistencia y deformación de los suelos o rocas de fundación así como el perfil estratigráfico con sondajes que estarán realizadas en función de la longitud del puente, número de estribos, pilares y longitud de accesos. Pueden considerarse los ensayos que se listan a continuación: 7
Ensayos en Suelos:
• Ensayo de Penetración Estándar
(SPT). • Ensayo de Cono Estático (CPT). • Ensayo de Veleta de Campo. • Ensayo de Presurometría. • Ensayo de Placa Estático. • Ensayo de Permeabilidad. • Ensayo de Refracción Sísmica.
Análisis En Los Los Suelos Capacidad de Soporte: Determinar la capacidad de soporte de los suelos mediante martillo de impacto. Percolación: Pruebas de percolación en suelos, necesarias para el tratamiento de las aguas servidas con el fin de minimizar el riesgo de contaminación e impacto ambiental a los acuíferos. Gravedad específica: Es aplicable específicamente a suelos y agregados finos (o arenas) como los utilizados en mezclas de concreto y asfalto, obteniendo la gravedad específica de la masa de cualquier material compuesto por partículas pequeñas.
Análisis granulométrico: Determinar Determinar las proporciones relativas de los diferentes tamaños de grano presentes en una masa de suelos dada. Predecir movimientos del agua a través del suelo. Hidrometría: Determinar el tamaño de las partículas Límites: Los límites líquidos y plásticos han sido ampliamente utilizados en
todas las regiones del mundo, principalmente con objetivos de identificación y clasificación de suelos. Límites de Cohesión, de pegajosidad, de contracción, plástico y límite líquido. Peso unitario de suelos: Obtener el volumen desplazado de cualquier suelo
cohesivo que no se destruya por estar dentro del agua de 1 a 2 minutos requeridos para hacer el ensayo.
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Proctor: Determinar la densidad del material, se utiliza el Proctor Estándar para suelos arcillosos y el Proctor Pr octor Modificado para materiales con grava. Densidad en Sitio: Obtención de la relación densidad-humedad para un esfuerzo de compactación dado sobre un suelo particular, Determinando la densidad del suelo en el terreno. Contenido de Humedad: Determinar la cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso en seco. Clasificación de suelos con límites: Determinar su clasificación en suelos de grano fino o suelo de grano grueso, utilizando los límites de Atterberg (por lo menos los límites líquido y plástico) con un análisis parcial o total de granulometría, y el proceso de eliminación para su clasificación.
Ensayos En Rocas • Ensayo de Compresión Uniaxial Uniaxial en Roca
débil. • Determinación de la Resistencia al Corte
Directo, en discontinuidades de roca. • Ensayo de Carga en Placa Flexible. • Ensayo de Carga en Placa Rígida. • Ensayo con el Método de Fracturamiento
Hidráulico
ENSAYOS DE LABORATORIO Ensayos en suelos: • Contenido de humedad. • Gravedad específica. • Distribución granulométrica. • Determinación del límite líquido y
límite plástico. • Ensayo de corte directo. 9
• Ensayo de compresión no-confinada. • Ensayo triaxial no consolidado - no drenado. • Ensayo triaxial consolidado - no drenado. • Ensayo de consolidación. • Ensayo de permeabilidad. permeabilidad. • Ensayo Proctor Modificado y CBR.
Ensayos en rocas: • Determinación del módulo elástico. • Ensayo de compresión triaxial. • Ensayo de compresión no confinada. • Ensayo de resistencia a la rotura
ESTUDIOS DE RIESGO SÍSMICO Se llama riesgo sísmico a la probabilidad de ocurrencia dentro de un plazo dado, de que un sismo cause, en un lugar determinado, cierto efecto definido como pérdidas o daños determinados. En el riesgo influyen el peligro potencial sísmico, los posibles efectos locales de amplificación, la vulnerabilidad de las construcciones (e instituciones) y las pérdidas posibles (en vidas y bienes). El riesgo sísmico depende fuertemente de la cantidad y tipo de asentamientos humanos y de la cantidad e importancia de las obras que se encuentran localizados en el lugar. Los estudios de riesgo sísmico tendrán como finalidad f inalidad la determinación de espectros de diseño que definan las componentes horizontal y vertical del sismo a nivel de la co ta de cimentación.
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Requerimientos De Los Estudios El alcance de los estudios de riesgo r iesgo sísmico dependerá de:
La zona sísmica donde se ubica el puente.
El tipo de puente y su longitud y altura. Las características del suelo.
VARIABLES
A
CONSIDERAR
EN
LA
EVALUACIÓN EVALUACIÓN
DE
LA
VULNERABILIDAD VULNERABILIDAD SÍSMICA DE PUENTES PUENTES Por lo comentado anteriormente se puede resumir que las variables que afectan la respuesta sísmica de los puentes y que por consiguiente da una idea de su grado de vulnerabilidad, poniendo énfasis en que la falla de las columnas repercute en el desempeño global de la estructura, son las siguientes: • Tipo de sistemas de apoyo: estribos y columnas. • Forma y dimensiones de la sección transversal de los elementos de apoyo. • Cantidad de acero de refuerzo en los elementos de apoyo: • Resistencia de los materiales: • Tipo de suelo en el sitio de interés • Tipo de cimentación • Geometría de la superestructura en planta • Tipo de juntas, en el caso de tener una superestructura discontinua discontinua • Ancho de calzada y longitud de la superestructura • Reglamento y año de construcción
4) ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL
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El estudio de impacto ambiental es un instrumento importante para la evaluación del impacto ambiental de un proyecto. Es un estudio técnico, que se realiza para predecir los impactos ambientales que pueden derivarse de la ejecución de un proyecto, actividad o decisión política permitiendo la toma de decisiones sobre la viabilidad ambiental del mismo. Constituye Constituye el documento básico para el proceso de Evaluación Evaluación del Impacto Ambiental. La redacción y firma del estudio de impacto ambiental es tarea de un equipo multidisciplinario compuesto compuesto por especialistas en la interpretación del proyecto y en los factores ambientales más relevantes para ese proyecto concreto (por ejemplo atmósfera, agua, suelos, vegetación, fauna, recursos culturales, etc.) que normalmente se integran en una empresa de Consultoría Ambiental. El estudio del impacto ambiental se hace en varias etapas, paralelo a las etapas de la intervención que se pretende evaluar. Para estos efectos debe entenderse como intervención no solo una obra, como un puente o una carretera, sino que también, es una intervención que puede tener impacto en el Ambiente. La creación de una normativa o una modificación de una normativa existente. Por ejemplo, el incremento del impuesto a la importación de materia prima para fabricación de plásticos puede inducir al uso de recipientes reciclables. La Construcción de un puente modifica el medio y en consecuencia las condiciones socio - económicas, culturales y ecológicas del ámbito donde se ejecutan; y es allí cuando surge la necesidad de una evaluación bajo un enfoque global ambiental.
OBJETIVOS General Proponer las medidas que deben incluirse en los diseños definitivos para evitar y/o mitigar los impactos negativos producidos por las obras de mantenimiento periódico, así como también, la formulación de las medidas más convenientes para potenciar los impactos positivos que originará el proyecto.
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Específicos Identificar y evaluar los impactos ambientales que la obra podría ocasionar en el medio ambiente, así como los que el entorno ambiental podría ocasionar sobre la obra.
•
• Establecer las condiciones ambientales de la zona de estudio.
• Proponer medidas para mitigar el deterioro del entorno ambiental como consecuencia
de las obras o bras de mantenimiento periódico. • Identificar y evaluar, desde el punto de vista ambiental, la ubicación de campamentos,
canteras, planta de asfalto y botaderos que permitan mitigar con mayor precisión los impactos generados por las obras del proyecto en el entorno ambiental. • Proponer el Plan de Manejo y seguimiento ambiental para mitigar los impactos
generados por las obras correspondientes al mantenimiento periódico. Métodos de Análisis La metodología a seguir en un estudio de Impacto Ambiental será la siguiente: Identificación de Impactos Consiste en identificar los probables impactos a ser investigados, para lo cual es necesario conocer primero de la manera más amplia el escenario sobre el cual incide el proyecto; cuya ubicación, ejecución y operación afectará el entorno ecológico. Así mismo, es imprescindible el conocimiento del proyecto a desarrollar, que involucra no sólo el contexto técnico sino también las repercusiones sociales y experiencias del desarrollo de este tipo de proyectos en otros escenarios. Previsión de Impactos El objetivo en este nivel esta orientado hacia la descripción cuantitativa o cualitativa, o una combinación de ambas, de las principales consecuencias ambientales que se han detectado en el análisis previo. Interpretación de Impactos Implica analizar cuan importante es la alteración medio ambiental en relación a la conservación original del área. 13
Información a las comunidades y a las autoridades sobre los impactos ambientales En esta etapa hay que sintetizar los impactos para presentarlos al público que será afectado por los impactos ambientales detectados; y a las autoridades políticas con poder de decisión. La presentación deberá ser lo suficientemente objetiva para mostrar las ventajas y desventajas que conlleva la ejecución del pr oyecto. Plan de Monitoreo o Control Ambiental Fundamentalmente Fundamentalmente en esta etapa se debe tener en cuenta las propuestas de las medidas de mitigación y de compensación, en función de los problemas detectados en los pasos previos considerados en el Estudio; asimismo, la supervisión ambiental sustentada en normas legales y técnicas para el cumplimiento estricto de las recomendaciones. recomendaciones. Información mínima que requieren los estudios de Impacto Ambiental en Puentes La información mínima para un estudio de Impacto Ambiental en Puentes será: •
Fauna silvestre
•
Flora adyacente
•
Presencia de agua en el cauce
•
Relieve topográfico
•
Deforestación en los taludes del cauce
•
Probabilidad de erosión lateral de los taludes
•
Material sedimentado en el Lecho del cauce
•
Presencia de recursos hidro-biológicos
•
Valor estético del paisaje
5) ESTUDIO DE TRAFICO El conteo de tráfico para tener tener una estadística real del del volumen de tránsito vehicular diario que pasan por un punto predeterminado de acuerdo a la clasificación según su capacidad de carga.
OBJETIVO
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El estudio de tráfico vehicular tiene por objeto, cuantificar, clasificar y conocer el volumen de los vehículos vehículos que se movilizan por por la carretera, elemento indispensable para la determinación de las características de diseño del Pavimento en la carretera, así como para la evaluación económica del proyecto.
METODOLOGIA
El tráfico se define como el desplazamiento de bienes y/o personas en los medios de transporte; mientras que el tránsito viene a ser el flujo de vehículos que circulan por la carretera, pero que usualmente se denomina tráfico vehicular. En el desarrollo del Estudio de Tráfico, se contemplan:
Recopilación de la información.
Conteo de tráfico.
Tabulación de la información.
Análisis de la información y obtención de resultados.
6) ESTUDIOS DE TRAZO Y DISEÑO VIAL DE ACCESOS Objetivos Definición de las características geométricas y técnicas del tramo de la carretera que enlaza el puente en una ubicación especificada de la carretera. Alcances Los estudios comprenden lo siguiente:
Diseño Geográfico
Definición de alineamiento horizontal y perfil longitudinal del eje en los tramos de los accesos del puente. Definición de las características geométricas (ancho) de la calzada, b ermas y cunetas en las distintas zonas del relleno y corte co rte de los accesos.
Trabajos Topográficos
Levantamiento topográfico del terreno y evaluación evaluación de datos para el desarrollo del del proyecto.
Diseño de Pavimentos 15
Determinación de las características geométricas y dimensiones técnicas del pavimento de los accesos, incluyendo la parte asfáltica, base y sub-base.
Diseño de Señalización
Ubicación de cada tipo de señal con su croquis especifico. LOCALIZACION Hay tres consideraciones para tomar en cuenta:
El sitio del puente debe ofrecer apropiadas alineaciones verticales y horizontales.
Sus suelos deben ser lo suficientemente fuertes para asegurar la estabilidad de la estructura.
El puente y sus obras asociadas no deberían tener un impacto adverso en edificios o terrenos contiguos o ellos sean susceptibles a daños del medio ambiente.
Para la buena localización de un puente deben estudiarse varias alternativas, según los criterios de estudio de tráfico, alineamiento de la vía, alineamiento de la rasante, tipo de terreno, facilidades de construcción, conservación, la estética de la obra. Para el ingeniero los ríos son los obstáculos más comunes necesitando ser cruzados. Los puentes que sirven para vencer obstáculos que no tengan que ver con pasos de ríos son relativamente simples porque implican consideraciones de altura y de longitud, cuando se trata de cruzar ríos se tiene que tomar muy en cuenta los estudios de hidráulica e hidrología.
POSICIÓN DEL PUENTE Para seleccionar la ubicación de un puente, a menudo el ingeniero tiene que alcanzar un acuerdo intermedio entre la economía y la vida útil. Varios factores influyen en esta decisión, por ejemplo: ejemplo: Longitudes requeridas
Procesos de ejecución
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Condiciones locales
Restricciones de fundación La decisión también debería basarse en comparaciones tales: Comportamiento estructural
Aspectos económicos Estética
FORMA GEOMÉTRICA Y DIMENSIONES El diseño geométrico en puentes debe satisfacer además de las Normas Peruanas de Puentes, las siguientes s iguientes restricciones: a) En los cruces sobre vías vehiculares y férreas deben preverse futuros trabajos tales como ampliación de la vía. b) Cuando el puente es para superar un río o canal, el alineamiento horizontal de la carretera en el tramo del puente puede ser curvo y no necesariamente perpendicular al eje de la corriente del agua. c) El peralte utilizado en puentes localizados en curvas horizontales o zonas de transición debe cumplir con el diseño geométrico especificado en la vía y no debe superar el valor máximo permitido. d) Gálibos: • Sobre corrientes de agua, relativamente limpias en toda época: mínimo 2,0 metros
por encima del nivel de aguas máximas. • Sobre corrientes de agua que en algunos periodos transportan deshechos, troncos y
otros objetos voluminosos: mínimo 2,5 metros por encima del nivel de agua máximas, para el período de retorno que establezcan los correspondientes términos términos de referencia. • Sobre carreteras: mínimo 5,50 metros para vías principales rurales y urbanas y 5.00
metros para otras vías, por encima de la rasante de la carretera.
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• Sobre vías férreas: mínimo 5,50 metros. Se debe solicitar aprobación del MTC. • Sobre ríos navegables: se debe hacer la consulta al MTC.
e) Sección transversal: en toda la longitud del puente se mantendrá la sección transversal típica del ramo de la carretera en el cual se encuentra el puente. Dicha sección debe comprender las bermas, aunque la norma permite algunas reducciones según el tipo de velocidad, terreno, y clasificación de la vía. f) En el alineamiento vertical del puente no habrá más limitaciones que las propias del diseño geométrico del tramo dónde esté ubicado, es decir en ningún caso un puente limitará el diseño vertical de una carretera. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO PARA LA VIDA DEL PUENTE La elección usualmente hecha es entre una estructura permanente con un periodo de diseño de 75 años o una estructura temporal. Decisiones que son influenciadas por las predicciones del tráfico y los recursos disponibles. Donde se espera que el desarrollo futuro aumente la capacidad deseada, la elección está entre construir un puente de bajo costo hasta que ocurra el desarrollo o construir una estructura de mayor envergadura que lo que inicialmente es requerido pero esta hará frente a las necesidades futuras. Una solución alternativa es construir los estribos permanentes y una cubierta ligera que pueda ser reemplazado cuando el desarrollo ocurra. Se puede afirmar que los fondos disponibles son los factores que determinan la vida del diseño del puente. En el proyecto de un puente, el problema fundamental que se plantea es saber cómo va a ser, es decir qué tipo de estructura va a tener, qué material se va a utilizar, cuáles van a ser sus luces, etc. Pero este cómo có mo va a ser el puente, viene condicionado por diferentes factores; el primero de ellos es conocer su comportamiento resistente, es saber cómo va a ser su estructura. Pero además de saber cómo va a ser el puente, es necesario saber cómo se va a hacer, es decir, el procedimiento a seguir para llevar a buen fin su construcción. Este conocer cómo se va a hacer, va adquiriendo cada vez más importancia, a medida que crece la luz del puente, llegando a ser casi decisivo en las grandes luces. Actualmente los puentes de luces mayores que se construyen son los 18
colgantes y atirantados, entre otras razones porque sus procedimientos de construcción son más fáciles de llevar a cabo y requieren menos medios, que otras. Ambos problemas, saber cómo va a ser el puente y saber cómo se va a hacer, no se pueden separar, sino que en el momento de hacer un proyecto se deberán tener en cuenta simultáneamente. La importancia del proceso de construcción es tan grande y está tan presente en el ingeniero que, como hemos visto, muchos tipos de puentes se conocen por su procedimiento de construcción.
CAPITULOS 2: CLASIFICACION DE LOS PUENTES
Los puentes podemos clasificarlos según su tipo de material con los que fueron construidos, por su utilización, por su condición de operación, por el tipo de cruce y por su alineamiento. alineamiento. POR SU TIPO DE MATERIAL:
De madera. De tabique. De concreto: armado, simple y ciclópeo. De acero.
De hormigón armado.
POR SU UTILIZACIÓN: Puentes peatonales.
Puentes de ferrocarriles. Puentes de presa. Puentes de caminos. 19
Puentes de acueductos.
POR SU CONDICIÓN DE OPERACIÓN Y ESFUERSO: De viga simple En ménsula
Colgantes. Atirantados. De arco De armaduras de hierro. Suspendidos. Puentes de bóveda. Puentes de losa plana reforzada. De sección aligerada. De armaduras de madera.
CAPITULO 2: TIPOS Y ANALISIS DE PUENTES I.
CLASIFICACION
PUENTE DE MADERA Aunque son s on rápidos de construir y de bajo coste, son so n poco resistentes y duraderos, ya que son muy sensibles a los agentes atmosféricos, como la lluvia y el viento, por lo que requieren un mantenimiento continuado y costoso. Su bajo coste (debido a la abundancia de madera, sobre todo en la antigüedad) antigüedad) y la facilidad para labrar la madera pueden explicar que los primeros puentes construidos fueran de madera.
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PUENTE DE ARCO 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. El esfuerzo de flexión supone una compresión en la zona superior de las vigas y una tracción en la inferior.
PUENTE
DE
HORMIGON ARMADO Son de montaje rápido, ya que admiten en muchas ocasiones elementos prefabricados, son resistentes, permiten superar luces mayores que los puentes de piedra, aunque menores que los de hierro, y tienen unos gastos de mantenimiento muy escasos, ya que son muy resistentes a la acción de los agentes atmosféricos
PUENTES DE VIGAS. VIGAS . 21
Consisten en varios de estos órganos, que, colocados paralelamente unos a otros con separaciones de 1,2 a 1,5 m, salvan la distancia entre estribos o pilas y soportan el tablero. Cuando son ferroviarios, disponen de vigas de madera o acero y sus pisos pueden ser abiertos o estar cubiertos con balasto o placas de hormigón armado. Los destinados a servir el tráfico de vehículos son de acero, hormigón armado o pretensado o madera. Las vigas metálicas pueden ser de sección en "I "I" o de ala ancha; los caballetes de madera forman vanos con vigas o largueros que descansan en pilas de pilotes del mismo material o en pilotes jabalconados. Los puentes de vigas de hormigón armado o de acero pueden salvar tramos de 20 a 25 m; para distancias superiores se utilizan mucho el acero y el hormigón hor migón pretensado y, cuando la longitud es considerable, las vigas son compuestas. Se han construido algunos puentes con vigas de hormigón pretensado, de sección en "I "I", que salvan tramos de hasta 48 m. Puentes de vigas armadas. armadas. Constan de dos de estos elementos que soportan el piso. Si el tablero está apoyado cerca de las pestañas inferiores de las vigas y el tráfico pasa por entre ellas, el puente se llama vía inferior; si, s i, por el contrario, lo está en la parte superior, se denomina de paso alto. Cuando el puente sirve a una carretera, es preferible el segundo tipo, que puede ser ensanchado para acomodarlo a posibles aumentos de tráfico. Las vigas armadas metálicas son de sección "I "I" y van reforzadas por remaches. Los puentes de esta clase pueden ser de un solo tramo o continuos. Los primeros llegan a cubrir tramos de hasta 40 m. Algunas veces también reciben el nombre de puentes de vigas armadas los de gran longitud cuyas vigas tienen secciones compuestas
Puentes continuos Pueden ser de viga de celosía, de vigas de acero de alma llena, de vigas o viguetas de hormigón armado o de vigas o viguetas de hormigón pretensado. Los puentes continuos de viga de celosía suelen ser de dos o tres tramos, pero los de viga armada pueden salvar ininterrumpidamente ininterrumpidamente muchos tramos. Los refuerzos contra la carga tensil de las vigas continuas de hormigón armado deben colocarse cerca de la parte 22
superior de las mismas, en el área situada sobre los soportes, pues allí es donde se prodcen los esfuerzos citados. Las vigas y viguetas de los puentes continuos de hormigón pretensado tienen sección en "I" o tubular. El puente continuo de tres tramos, con arco anclado en el central, modelo relativamente reciente reciente y de estructura siempre simétrica, es muy estimado para salvar grandes distancias. Aparte de su valor estético se le considera muy adecuado para las estructuras cantilever. El puente continuo más largo es el de Dubuque (Norteamérica, estado de Iowa) sobre el río Mississippí, con un tramo central de 258 m de longitud.
PUENTES COLGANTES 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 a esfuerzos de compresión, los demás elementos del puente, es decir, cables y tirantes, están sometidos a esfuerzos de tracción. Paradójicamente, la gran virtud y el gran defecto de los puentes colgantes se deben a una misma cualidad: su ligereza. La ligereza de los puentes colgantes, los hace más sensibles que ningún otro tipo al aumento de las cargas de tráfico que circulan por él, porque su relación peso propio/carga de tráfico es mínima; es el polo opuesto del puente de piedra. El cable es un elemento flexible, 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; si esto lo fuera posible no resistiría. Por 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 actúan sobre él 23
Las torres han sido siempre 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
PUENTE ATIRANTADO Los puentes atirantados son una variedad de puente colgante. El esquema consiste de una viga colgada de tirantes que van directamente hacia las torres. Estos puentes son más rígidos y tienen menos problemas de inestabilidad aerodinámica. Los puentes atirantados ocupan un punto medio entre los puentes de acero de contrapeso y los colgantes. Un puente colgante, requiere más cables (y más acero), y uno de contrapeso, más acero para su construcción. Aunque desde el punto de vista estructural serían puentes que trabajan en modo contrapeso Dos de las características de estos puentes es el número de pilones, hay puentes con uno solo, o con varios, lo más típico es estar construidos con un par de torres cerca de los extremos.
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PUENTE EN MÉNSULA Es un puente un puente en el cual una o más vigas principales trabajan como ménsula como ménsula o voladizo. Normalmente, las grandes estructuras se construyen por la técnica de volados de volados sucesivos, mediante sucesivos, mediante ménsulas consecutivas que se proyectan en el espacio a partir de la ménsula previa. Los pequeños puentes peatonales pueden construirse con vigas simples, pero los puentes de mayor importancia se construyen con grandes estructuras reticuladas de acero de acero o vigas tipo cajón de hormigón de hormigón postensado, o postensado, o mediante estructuras mediante estructuras colgadas. Cuando hacemos referencia al término ménsula nos estamos enfocando en aquellos elementos arquitectónicos arquitectónicos que sobresalen de un plano vertical y que sirven para sostener alguna cosa, como el alero del tejado, la cornisa, entre otros. Y en este caso, hacemos hacemos hincapié en el el concepto:puente concepto:puente de ménsula, una estructura en la cual una o más vigas principales trabajan como una ménsula o voladizo. vo ladizo. Aunque en el caso de grandes grandes estructuras, son construidas por por la técnica de volados sucesivos, mediante ménsulas consecutivas consecutivas que se proyectan en el espacio a partir de una ménsula anterior. Además, se agregan estructuras reticuladas -es decir, en fo rma de red- de acero o vigas de hormigón o mediante estructuras colgadas. Ya en el caso de los puentes peatonales,
PUENTE EN ARCO 25
Un puente de arco es un puente un puente con apoyos a los extremos de la luz, la luz, entre entre los cuales se hace una estructura con forma de arco de arco con la que se transmiten las cargas. El tablero puede estar apoyado o colgado de esta estructura principal, dando origen a distintos tipos de puentes ya que da lo mismo. Los puentes en arco trabajan transfiriendo el peso propio del puente y las sobrecargas de uso hacia los apoyos mediante la compresión la compresión del arco, donde se transforma en un empuje horizontal y una carga vertical. Normalmente la esbeltez la esbeltez del arco (relación entre la flecha máxima y la luz) la luz) es es alta, haciendo que los esfuerzos horizontales sean mucho mayores que los verticales. Por este motivo son adecuados en sitios capaces de proporcionar una buena resistencia al empuje horizontal. Cuando la distancia a salvar es grande pueden estar hechos con una serie de arcos, aunque ahora es frecuente utilizar otras estructuras más económicas. Los antiguos romanos ya construían estructuras con múltiples arcos para par a construir puentes construir puentes y y acueductos. acueductos. Este tipo de puentes fueron inventados por los antiguos los antiguos griegos, quienes griegos, quienes los construyeron en piedra. Más tarde los romanos usaron cemento usaron cemento en sus puentes de arco. Algunos de aquellos antiguos antiguos puentes siguen estando estando en pie. Los romanos romanos usaron solamente puentes de arco de medio punto, pero se pueden construir puentes más largos y esbeltos mediante figuras elípticas figuras elípticas o de catenaria de catenaria invertida.
II.
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 26
rodeadas de hormigón. De origen or igen muy reciente, resultan sumamente útiles para separar en niveles los cruces de carreteras carr eteras 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 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 «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 «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. Ar ma dura du ra s Pl an as Es 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.
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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 estr uctural en: Armaduras simples, o estáticamente determinadas, constituye la armadura bidimensional o plana plana más sencilla, y ante la carga aplicad la única 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 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, externa, cuando es posible posible calcular 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,
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puesto que sólo existen tres ecuaciones independientes independientes de la estática aplicables al conjunto de la estructura. • Isostaticidad interna, interna, cuando cuando es posible determinar determinar los 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 determinada el momento flector es nula en todas las barras de la misma, estando solicitada cada cad a barra sólo axialmente. axialmente. Como una estructura de barras articuladas sólo puede comportarse rígidamente si cada región mínima encerrada por las barras es triangular, t riangular, las armaduras planas estáticamente determinadas determinadas están formadas por barras que forman regiones triangulares adyacentes unas a otras. Además la condición de estar estar estáticamente determinada 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 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 nudos rígidos Una armadura de nudos rígidos es un tipo de estructura hiperestática que geométricamente puede ser similar a una u na armadura estáticamente determinada pero estructuralmente tiene barras trabajando en flexión.
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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 d e 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 tridimensionales ensionales como estas se denomina “armaduras espaciales” si Las estructuras tridimensionales tienen juntas que no ejercen pares sobre las barras b arras (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 ARMADURA 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 en 1840 por William William Howe. A continuación se describen algunos de los tipos de armaduras más usadas en la ingeniería. Ar A r ma d ur a Lo ng
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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.
Ar A r ma d ur a Ho we
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 (formando Λ's). 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.
Ar A r ma d ur a Pr at t
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 (ahora forman V's), de manera que las diagonales están sometidas a tracción mientras que las barras verticales están comprimidas. 31
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 consistentes en barras suplementarias que van desde las diagonales hasta el cordón superior, dichas barras son usadas para reducir la longitud efectiva de pandeo.
Ar A r ma d ur a Wa r r en
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.
Ar A r ma d ur a Vi er end en d ee l
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
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rectangulares. Se trata por tanto de una armadura empleada en edificación por el aprovechamiento de sus aperturas. 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 nodos Este 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 s ometido a compresión. Si el elemento tira o hala al pasador, pasado r, por reacción este halará al elemento y en consecuencia co nsecuencia 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 f uerzas concurrentes, por consiguiente el 33
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 Secciones Secciones
Este 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 d e tres incógnitas, es posible, mediante las tres ecuaciones independientes 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. cor te. 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 co nsidera 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.
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CAPÍTULO 3. EQUILIBRIO EN LOS PUENTES
Fuerzas que actúen sobre un puente: CARGAS PERMANENTES: Peso Propio y Carga Muerta El peso propio se determinará determinará considerando todos los elementos que sean sean indispensables para que la estructura funcione como tal. La carga muerta referida a la superestructura superestructura está compuesta por el peso peso del tablero (losa más vigas), del andén, de las barandas, bar andas, del bordillo y de todos aquellos elementos que actúen permanentemente sobre el puente. El peso propio y las cargas muertas serán estimados sobre la base de las dimensiones indicadas en planos y en cada caso ca so considerando los valores medios de los pesos pes os específicos. Empuje de Tierra Los estribos y otras partes de las estructuras que retienen tierra deberán diseñarse diseñarse para resistir las diferentes presiones. Deformaciones impuestas Las deformaciones y esfuerzos originados por contracción o por flujo plástico en elementos de concreto o de madera, los esfuerzos residuales originados por el proceso de laminado o por la soldadura de elementos de acero, los posibles defectos de fabricación o de construcción, los desplazamientos de apoyo de diverso origen y otras fuentes de deformación serán considerados como c omo cargas permanentes 36
CARGAS VARIABLES: Cargas durante la construcción Se considera todas las cargas debidas a pesos materiales y equipos requeridos durante la construcción así como las cargas car gas del peso propio u otras de carácter permanente que se apliquen en cada etapa del proceso constructivo. Cargas vivas de vehículos La carga viva para puente de carreteras está está conformada por camiones estándar estándar o líneas de carga que son equivalentes a trenes de camión. -Camiones estándar Son de dos tipos: el camión C40-95 y el camión C32-95 que equivale al 80% de la carga del camión C40-95. Fuerza Longitudinales Longitudinales El término de fuerzas longitudinales se refiere a fuerzas que actúan en la dirección del eje longitudinal del puente, específicamente, específicamente, en la dirección del tráfico. Estas fuerzas se desarrollan como resultado del esfuerzo de frenado y que actúan longitudinalmente sobre los tableros de los puentes, o el esfuerzo de tracción. En ambos casos, la fuerza de inercia del vehículo se transfiere al tablero a través de la fricción entre el tablero y las ruedas. Algunas de estas cargas son aplicadas en la combinación de cargas que permiten un aumento permisible en la tensión. Es supuesto que la fuerza longitudinal se transmite al tablero a través de las ruedas de los vehículos en movimiento. El tablero, a su vez, lo transmite a las vigas que transmiten la fuerza longitudinal a los soportes en que éstas se apoyan. El efecto de la fuerza longitudinal en los miembros de la superestructura es muy pequeño, mientras aquel debido a su rigidez axial es grande, por consiguiente, no es considerado en su diseño.
CARGAS DE VIENTO
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Las cargas de viento son el mayor componente de las cargas laterales que actúan en todas las estructuras. En general, estas son componentes de las llamadas cargas medioambientales medioambientales a las que todas las estructuras se sujetan. Los efectos del viento en las estructuras del puente pueden estar compuesta por: - Presiones estáticas del viento. - Los movimientos movimientos dinámicos (oscilatorios) del viento. - El golpe entre las estructuras adyacentes. Las presiones estáticas del viento son la causa por la cual un puente puede deformarse o desviarse. Los movimientos dinámicos del viento afectarlos claros largos y flexibles de los puentes, así como puentes en suspensión y puentes de cables atirantados. Como los puentes son muy propensos a movimientos bajo las fuerzas del viento, estas pueden causar que éstos oscilen en varios modos diferentes. Fuerzas Centrífugas Se define como la fuerza de inercia que se manifiesta en todo cuerpo hacia fuera cuando cua ndo se la obliga a describir una trayectoria curva. Cuando un puente está ubicado en una curva se debe considerar una fuerza radial horizontal, la fuerza centrífuga que puede provocar momentos torsores importantes en la superestructura y esfuerzos cortantes a nivel de los apoyos y coronamientos de la infraestructura. Presión de la Corriente El efecto del flujo de agua sobre las pilas y la acumulación de sedimentos, asumiendo asumiendo la distribución parabólica de segundo grado para la velocidad de ésta forma una distribución triangular de presión. Fuerzas de origen origen Sísmico Sísmico Son fuerzas ejercidas por un terremoto o sismos sobre la estructura de un puente. Distribución de la fuerza cortante sísmica horizontal a lo largo de la altura de una estructura debida a los desplazamientos que produce durante un terremoto. Para un puente de estructura regular, con pesos y alturas de forjado iguales, así como con distribuciones homogéneas homogéneas de rigideces y de masas, es proporcional al peso del forjado en cada nivel y a su distancia respecto al suelo; siendo su diagrama de cargas triangular 38
de valor cero en la base y valor máximo en la cubierta. En estructuras con un período de vibración superior a 0,7 0,7 se supone que una porción porción de la fuerza cortante total se concentra en la parte superior de la estructura, por el efecto de látigo de las fuerzas sísmicas. Para sistemas de estructura irregular, la distribución de las fuerzas viene determinada por las rigideces relativas de los forjados adyacentes y las características dinámicas de la estructura Fuerza de tracción La fuerza La fuerza de tracción es el esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. En un puente colgante la fuerza de tracción se localiza en los cables principales. Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones direcciones por efecto de la tracción. La fuerza de tracción es la que intenta estirar un objeto (tira de sus extremos fuerza que soportan cables de acero de acero en puentes colgantes, etc.) El 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 en el estado primitivo que aun se encuentra en las zonas montañosas de Asia de Asia y y América América del Sur (simples pasarelas formadas por trenzados de fibras vegetales) hasta que se dispuso de materiales de suficiente s uficiente resistencia resistencia y fiabilidad para sustituirlas. Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento su comportamiento ante la tracción. Algunas de ellas son:
elasticidad
plasticidad
ductilidad
fragilidad
Ejemplo de fuerza de tracción: Cuando te columpias, los tirantes de los que cuelga el asiento del columpio se encuentran bajo tensión. Por 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. Pero a
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diferencia del caso de la silla, las dos fuerzas tienden a estirar los tirantes; a este tipo de fuerzas se les llama de tensión (también llamados de tracción.)
Fuerza de compresión La fuerza de compresión es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable o medio continuo, co ntinuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen de volumen o un acortamiento en determinada dirección. determinada dirección. La fuerza de compresión es la contraria co ntraria a la de tracción, intenta comprimir un objeto en el sentido de la fuerza. La fuerza de compresión es un estado un estado de tensión en el cual las partículas se aprietan entre sí. Una columna sobre la cual se apoya una carga, se halla sometida a una solicitación a la compresión. Compresión es el estado de tensión en el cual las partículas se "aprietan" entre sí. Una columna sobre la cual se apoya un peso se halla sometido a compresión, por ese motivo su altura disminuye por efecto de la carga. Las deformaciones provocadas por la compresión son de sentido contrario a las producidas por tracción, hay un acortamiento en la dirección de la aplicación de la carga y un ensanchamiento ensanchamiento perpendicular a esta dirección, esto debido a que la cantidad de masa del cuerpo no varía. Las solicitaciones normales son aquellas fuerzas que actúan de forma perpendicular a la sección; por lo tanto, la compresión es una solicitación normal a la sección ya que en las estructuras de compresión dominante la forma de la estructura coincide con el camino de las cargas hacia los apoyos, de esta forma, las solicitaciones actúan de forma perpendicular provocando que las secciones tienden a acercarse y "apretarse". Un ejemplo de fuerza de compresión es cuando te sientas en una silla, sus patas se encuentran bajo compresión. Por un lado reciben la fuerza de tu peso hacia abajo y por 40
el otro, la fuerza hacia arriba. Estas dos fuerzas tienden a comprimir la pata de la silla. Normalmente las sillas se construyen con materiales que son muy resistentes a la compresión.
El hormigón es un material que resiste fuertemente a compresión
Fuerza gravitatoria La gravitación es la fuerza de atracción mutua que experimentan los cuerpos por el hecho de tener una masa determinada. La existencia de dicha fuerza fue establecida por el matemático y físico inglés físico inglés Isaac Isaac Newton en el siglo XVII. En un puente colgante deberá soportar el peso, a través de los cables, y habrá una tensión y deberá ser mayor del otro extremo, al del peso del puente en los anclajes (contraria sino el puente se va para abajo). El viento también se toma en cuenta. Si ya has visto fuerzas vectoriales, es ahí donde do nde se aplican los principios los principios básicos. básicos. Un ejemplo si no te hundes en el piso, es porque existe una fuerza de igual dirección y magnitud, pero de sentido contrario.
Fuerza cortante En piezas prismáticas, las tensiones cortantes aparecen en caso de aplicación de un esfuerzo cortante o bien de un momento torsor. En piezas alargadas, como vigas y pilares, el plano de referencia suele ser un paralelo a
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la sección transversal. A diferencia del esfuerzo normal, es más difícil de apreciar en las vigas ya que su efecto es menos menos evidente. Ejemplo de fuerzas cortantes: Pensemos en el puente hecho con un tronco de árbol. Cuando 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. La 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 actúan en los extremos 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.
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CONCLUSION
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 capas de soportar estas fuerzas Hay multiples fuerzas a las cuales esta sometido el puente por lo que debemos tener en cuenta como estas actúan y como co mo pueden afectar, ya sea deformándolas, como fuerza cortante, etc
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