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PUENTES DE ARMADURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA ACADÉMICO PROFESIONALDE 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
Introduccion
Estudios preliminares
Estudios Topográficos
Hidrología e Hidráulica
Estudios de Geología
Ensayos de Campo y Laboratorio
Resistencia Sísmica
Impacto AmbientalEstudio de traficoCAPÍTULO 2...............TIPOS Y ANALISIS DE PUENTES
Clasificación
Tipos de Armaduras
Métodos de Análisis
CAPÍTULO 3. EQUILIBRIO EN LOS PUENTES
Fuerzas que actúan sobre un puente
Cargas Permanentes
Cargas Variables
Fuerza Longitudinales
Cargas de Viento
Fuerzas Centrífugas
Presión de la Corriente
Fuerzas de origen Sísmico
Fuerza de tracción
Fuerza de compresión
Fuerza gravitatoria Fuerza cortanteBIBLIOGRAFIA
DEDICATORIA
A nuestros padres que siempre están ahí
Apoyándonos y preocupándose por nuestra formación
AGRADECIMIENTO
A nuestros profesores que incentivan la 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 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
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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
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
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Es la parte del puente que recibe directamente la carga viva. Su posición
relativa con 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
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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 de la ubicación y las dimensiones de los
elementos estructurales.
c) Establecer puntos de referencia para el replanteo durante la construcción.
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).
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 como en dirección
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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.
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
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 del cruce.
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Comportamiento hidráulico del rio en el tramo que comprende el
cruce.
Área de flujo a ser confinada por el 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 del mejor.
Selección de secciones transversales representativas del cauce y la
obtención del perfil longitudinal.
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.
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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 su distribución como sus
características geotécnicas correspondientes.
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 estables.
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
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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 de las características del proyecto y del tipo de terreno este
mínimo podrá reducirse a un solo sondaje 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 de la cimentación y las condiciones
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
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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:
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 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 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
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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.
Proctor: Determinar la densidad del material, se utiliza el Proctor
Estándar para suelos arcillosos y el Proctor 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 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
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Ensayos en suelos:
• Contenido de humedad.
• Gravedad específica.
• Distribución granulométrica.
• Determinación del límite líquido y
límite plástico.
• Ensayo de corte directo.
• Ensayo de compresión no-
confinada.
• Ensayo triaxial no consolidado - no
drenado.
• Ensayo triaxial consolidado - no
drenado.
• Ensayo de consolidación.
• Ensayo de 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
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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 la determinación de
espectros de diseño que definan las componentes horizontal y vertical del
sismo a nivel de la cota de cimentación.
Requerimientos De Los Estudios
El alcance de los estudios de riesgo
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 DE LA
VULNERABILIDAD SÍSMICA DE 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:
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• 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
• Ancho de calzada y longitud de la superestructura
• Reglamento y año de construcción
4) ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL
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 el documento básico para el
proceso de Evaluación del Impacto Ambiental.
La redacción y firma del estudio de impacto ambiental es tarea de un
equipo multidisciplinario 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.
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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.
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 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.
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• 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.
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 proyecto.
Plan de Monitoreo o Control Ambiental
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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.
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 una estadística real del volumen de tránsito
vehicular diario que pasan por un punto predeterminado de acuerdo a la
clasificación según su capacidad de carga.
OBJETIVO
El estudio de tráfico vehicular tiene por objeto, cuantificar, clasificar y conoc
er el volumen de los vehículos que se movilizan por la carretera, elemento
indispensable para la determinación de las características de diseño del
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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, bermas
y cunetas en las distintas zonas del relleno y corte de los accesos.
Trabajos Topográficos
Levantamiento topográfico del terreno y evaluación de datos para el
desarrollo del proyecto.
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Diseño de Pavimentos
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.
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Varios factores influyen en esta decisión, por ejemplo:
Longitudes requeridas
Procesos de ejecución
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 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.
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• 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 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.
• 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.
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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 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 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
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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.
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.
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
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I. CLASIFICACION
PUENTE DE MADERA
Aunque son rápidos de construir y de bajo coste, son 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) y la facilidad para labrar la madera pueden explicar que los
primeros puentes construidos fueran de madera.
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.
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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.
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" 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 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", que salvan tramos de hasta 48 m.
Puentes de vigas armadas. Constan de dos de estos elementos que
soportan el piso. Si el tablero está apoyado cerca de las pestañas inferiores
24
de las vigas y el tráfico pasa por entre ellas, el puente se llama vía inferior;
si, 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" 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
muchos tramos. Los refuerzos contra la carga tensil de las vigas continuas
de hormigón armado deben colocarse cerca de la parte 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 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.
25
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
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
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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.
PUENTE EN MÉNSULA
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Es un puente en el cual una o más vigas principales trabajan
como ménsula o voladizo. Normalmente, las grandes estructuras se
construyen por la técnica de volados 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 o vigas tipo cajón de hormigón postensado,
o mediante estructuras colgadas.
Cuando hacemos referencia al término ménsula nos estamos enfocando en
aquellos elementos 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 hincapié en el concepto:puente de ménsula, una
estructura en la cual una o más vigas principales trabajan como una
ménsula o voladizo.
Aunque en el caso de grandes estructuras, son construidas por la técnica de
volados sucesivos, mediante ménsulas consecutivas que se proyectan en el
espacio a partir de una ménsula anterior. Además, se agregan estructuras
reticuladas -es decir, en forma de red- de acero o vigas de hormigón o
mediante estructuras colgadas. Ya en el caso de los puentes peatonales,
PUENTE EN ARCO
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Un puente de arco es un puente con apoyos a los extremos de la luz, entre
los cuales se hace una estructura con forma 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 del arco,
donde se transforma en un empuje horizontal y una carga vertical.
Normalmente la esbeltez del arco (relación entre la flecha máxima y la luz)
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 construir puentes y acueductos.
Este tipo de puentes fueron inventados por los antiguos griegos, quienes los
construyeron en piedra. Más tarde los romanos usaron cemento en sus
puentes de arco. Algunos de aquellos antiguos puentes siguen estando en
pie. Los romanos usaron solamente puentes de arco de medio punto, pero
se pueden construir puentes más largos y esbeltos mediante
figuras elípticas o de catenaria invertida.
II. PUENTES DE ARMADURA
29
Puentes de armadura rígida
Combinan las planchas y estribos de los puentes de placas con las vigas y
estribos de los de viga; esta combinación forma unidades sencillas sin
articulaciones de unión entre las piezas. Se construyen de hormigón armado
o pretensado o de armaduras de acero rodeadas de hormigón. De origen
muy reciente, resultan sumamente útiles para separar en niveles los cruces
de carreteras y ferrocarriles. En estos cruces suele ser conveniente que la
diferencia de niveles sea mínima y los puentes de la clase que nos ocupa
son susceptibles de recibir menor altura en un mismo tramo que los otros
tipos.
Puentes de armadura sencilla.
Las armaduras de los puentes modernos adoptan muy variadas formas. Las
armaduras Pratt y Warren, de paso superior o inferior, son las más utilizadas
en puentes de acero de tramos cortos. La Howe sólo se emplea en puentes
de madera; sus miembros verticales, construidos con barras de acero, están
en tensión, al igual que el cordón inferior, que es de madera.
Para los puentes de tramos largos se emplea la armadura Parker, de cordón
superior curvo, también llamada armadura Pratt, y para los de vanos largos
y viga de celosía sencilla se utilizan estructuras con entrepaños
subdivididos, como la armadura Warren; la Petit con cordones paralelos,
también denominada de Baltimore, la Petit con cordón superior inclinado,
que también se llama de Pensilvania, y. la viga de celosía en «K». En la Petit
y la Warren subdividida, los órganos verticales cortos que aparecen en las
figuras respectivas se suelen prolongar hasta el cordón superior para
servirle de soporte. Las armaduras para vanos largos están subdivididas en
forma que la longitud de los largueros no sea excesiva; a medida que
aumenta la anchura del vano, debe hacerlo la altura de la armadura tanto
para evitar las flexiones excesivas como por razones de economía. La
Warren subdividida, Petit y «K» pueden ser de tablero inferior superior y de
diverso número de entrepaños en la armadura según las necesidades de
cada caso. Los miembros metálicos de los puentes con viga de celosía se
construyen de muy diversas formas. Los de madera adoptan secciones
rectangulares.
Armaduras Planas
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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.
Las armaduras planas de nudos articulados de acuerdo con la forma de
crear la configuración de una armadura pueden dividirse desde el punto de
vista estructural en:
• Armaduras simples, o estáticamente determinadas, constituye la
armadura bidimensional o plana más sencilla, y ante la carga aplicad la
única deformación posible es la que se origine por pequeños cambios de
longitud de sus barras. Una armadura simple puede formarse partiendo de
tres barras unidas por nodos en sus extremos formando un triángulo y luego
extendiendo dos nuevas barras por cada nuevo nodo o unión.
• Armaduras compuestas. Si dos o más armaduras simples se unen
para formar un cuerpo rígido, la armadura así formada se denomina
armadura compuesta, de tal manera que cada par comparta una sus
articulaciones y se añada alguna barra adicional entre cada par de modo
que cualquier movimiento de una respecto de la otra esté impedido.
Admiten una reducción al caso anterior.
• Armaduras complejas, que engloba a cualquier celosía plana que no
sea de los tipos anteriores. Son estructuras hiperestáticas para las que se
puede usar el método de Heneberg o el método matricial de la rigidez.
Si una armadura plana es de nudos rígidos, entonces es hiperestática con
independencia del número de nudos y barras. En esos casos usualmente se
calculan de modo aproximado suponiendo que sus nudos son articulados (si
la son similares a una celosía simple o compuesta), o de modo
razonablemente más exacto por el método matricial de la rigidez.
De acuerdo con el uso y disposición de las cargas conviene una u otra
tipología o disposición de montantes verticales y diagonales.
31
Armaduras planas estáticamente determinadas
Una armadura se llama estáticamente determinada o totalmente isostática
si se aplican sucesivamente las ecuaciones de equilibrio mecánico, primero
al conjunto de la estructura, para determinar sus reacciones, y luego a las
partes internas, para determinar los esfuerzos sobre cada uno de los
elementos que la integran. Estas dos condiciones se llaman:
• Isostaticidad externa, cuando es posible calcular las reacciones
usando exclusivamente las ecuaciones de la estática. Para que eso suceda
el número de grados de libertad eliminados por los anclajes varios de la
celosía debe ser a lo sumo de tres, puesto que sólo existen tres ecuaciones
independientes de la estática aplicables al conjunto de la estructura.
• Isostaticidad interna, cuando es posible determinar los esfuerzos
internos de cada una de las barras que forman la estructura, como veremos
para que se dé esta condición se requiere una cierta relación entre el
número de barras y nudos.
Una armadura plana, sólo puede ser isostática si está formada por nudos
articulados y las barras sólo transmiten esfuerzos a otras barras en la
dirección de su eje. Eso implica que en una armadura plana
hiperestáticamente determinada el momento flector es nula en todas las
barras de la misma, estando solicitada cada barra sólo axialmente. Como
una estructura de barras articuladas sólo puede comportarse rígidamente si
cada región mínima encerrada por las barras es triangular, las armaduras
planas estáticamente determinadas están formadas por barras que forman
regiones triangulares adyacentes unas a otras.
Además la condición de estar estáticamente determinada conlleva, como
vamos a ver, una relación entre el número de barras y nudos. Llamemos b
al número de barras y n al número de nudos. Las condiciones de
isostaticidad interna y externa requieren que el número de ecuaciones
estáticas linealmente independientes iguale al número de incógnitas:
1. Empecemos contando el número de incógnitas: si la estructura es
externamente isostática las reacciones totales dependerán de tres valores
incógnita, por otro lado la condición de isostaticidad interna requerirá que
32
determinemos el valor del esfuerzo axial de cada barra. Esto nos da b+3
incógnitas.
2. En cuanto al número de ecuaciones de la estática, al no existir
momentos flectores y ejercer cada barra sólo esfuerzo según su eje, se
puede ver que en cada uno de los n nudos de la estructura las fuerzas
verticales y horizontales deben anularse, eso nos da dos ecuaciones por
nudo. En total podemos plantear el equilibrio de cada nudo
independientemente por lo que el número de ecuaciones totales es de 2n.
La condición de isostaticidad de la armadura requerirá por tanto b + 3 = 2n.
Armaduras de nudos rígidos
Una armadura de nudos rígidos es un tipo de estructura hiperestática que
geométricamente puede ser similar a una armadura estáticamente
determinada pero estructuralmente tiene barras trabajando en flexión.
Un nudo se llama rígido si una vez deformada la estructura el ángulo
formado inicialmente por todas las barras se mantiene a pesar de que
globalmente todo el nudo ha podido haber girado un ángulo finito.
Puede probarse que dos armaduras de idéntica geometría, siendo los nudos
de una rígidos y los de los otros articulados, cumplen que:
1. La armadura de nudos articulados tiene esfuerzos axiales mayores
que la de nudos rígidos.
2. La armadura de nudos articulados es más deformable.
3. La armadura de nudos rígidos presenta mayores problemas en el
dimensionado de las uniones entre barras.
Armaduras tridimensionales
Las estructuras tridimensionales como estas se denomina “armaduras
espaciales” si tienen juntas que no ejercen pares sobre las barras (es decir,
son articuladas en las tres direcciones, comportándose como soportes de
bola y cuenca) y si están cargadas y soportadas solo en sus juntas o nudos.
33
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 1840 por William Howe. A continuación se describen algunos
de los tipos de armaduras más usadas en la ingeniería.
Armadura Long
Este tipo de armadura debe su nombre a Stephen H. Long (1784-1864), y
tiene su origen hacia 1835. Los cordones superior e inferior horizontales se
unen mediante montantes verticales todos ellos arriostrados por diagonales
dobles, usados para aumentar la rigidez de la estructura y su capacidad de
resistir cargas laterales, tales como los movimientos sísmicos y la presión
de los vientos huracanados.
Armadura Howe
La armadura Howe, fue patentada en 1840 por William Howe, aunque ya
había sido usada con anterioridad. Se usó mucho en el diseño de celosías de
madera, está compuesta por montantes verticales entre el cordón superior
34
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.
Armadura Pratt
Originalmente fue diseñada por Thomas y Caleb Pratt en 1844, representa
la adaptación de las armaduras al uso más generalizado de un nuevo
material de construcción de la época: el acero. A diferencia de una
armadura Howe, aquí las barras están inclinadas en sentido contrario (ahora
forman V's), de manera que las diagonales están sometidas a tracción
mientras que las barras verticales están comprimidas.
Eso representa ventajas si toda la armadura es de acero, ya que los
elementos traccionados no presentan problemas de pandeo aunque sean
largos mientras que los sometidos a compresión si pueden presentar
pandeo, lo que obliga a hacerlos de mayor espesor. Puesto que el efecto del
pandeo es proporcional a la longitud de las barras interesa que los
elementos más cortos sean los que sufren la compresión. La armadura Pratt
puede presentar variaciones, normalmente consistentes en barras
suplementarias que van desde las diagonales hasta el cordón superior,
dichas barras son usadas para reducir la longitud efectiva de pandeo.
35
Armadura Warren
La armadura Warren, fue patentada por los ingleses James Warren y
Willboughby Monzoni en 1848. El rasgo característico de este tipo de
armaduras es que forman una serie de triángulos isósceles (o equiláteros),
de manera que todas las diagonales tienen la misma longitud. Típicamente
en una celosía de este tipo y con cargas aplicadas verticales en sus nudos
superiores, las diagonales presentan alternativamente compresión y
tracción. Esto, que es desfavorable desde el punto de vista resistente,
presenta en cambio una ventaja constructiva. Si las cargas son variables
sobre la parte superior de la celosía (como por ejemplo en una pasarela) las
armaduras presentan resistencia similar para diversas configuraciones de
carga.
Armadura Vierendeel
La armadura Vierendeel, en honor al ingeniero belga A. Vierendeel, tiene
como características principales las uniones obligatoriamente rígidas y la
ausencia de diagonales inclinadas. De esta manera, en una armadura
Vierendeel, no aparecen formas triangulares como en la mayoría de
armaduras, sino una serie de marcos rectangulares. Se trata por tanto de
una armadura empleada en edificación por el aprovechamiento de sus
aperturas.
Tipos de armaduras para puentes
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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
a compresión. Si el elemento tira o hala al pasador, por reacción este halará
al elemento y en consecuencia estará sometido a tracción.
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Las ecuaciones disponibles al analizar el equilibrio de cada junta, para
armaduras planas son dos ya que se trata de equilibrio de fuerzas
concurrentes, por consiguiente el número máximo de elementos que puede
tener la armadura para que sea estáticamente determinado por la formula
2n-3 siendo n el número de juntas. El 3 representa el número máximo de
incógnitas en las reacciones.
Método de 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 tres incógnitas, es posible, mediante las tres
ecuaciones independientes disponibles en el caso de fuerzas coplanares,
determinar las fuerzas en los miembros involucrados en el corte para
obtener la solución respectiva.
Si por ejemplo se quiere determinar las fuerzas en los elementos FF, DF y
DG, una vez determinadas las reacciones se procede a hacer un corte. Si
tomamos la porción derecha (se puede tomar también la otra sección) y en
los miembros cortados se indican las fuerzas ejercidas sobre ellos (el
sentido es arbitrario) se puede tomar entonces dicha sección como un
cuerpo rígido.
Tomando se deduce que FDF=0, tomando momentos con respecto a H y
teniendo en cuenta el anterior resultado, se concluye que FEF=P y que el
elemento esta a compresión. Por último haciendo se concluye que FDG=P y
38
el miembro DG esta sometido a tracción. Los mismos resultados se obtienen
si se considera la parte izquierda de la armadura.
El método de las secciones es particularmente útil cuando, por alguna
razón, se requiere determinar las fuerzas en algunos elementos en
particular.
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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 considerando todos los elementos que sean
indispensables para que la estructura funcione como tal.
La carga muerta referida a la superestructura está compuesta por el peso
del tablero (losa más vigas), del andén, de las barandas, 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 considerando los valores
medios de los pesos específicos.
Empuje de Tierra
Los estribos y otras partes de las estructuras que retienen tierra deberán
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
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desplazamientos de apoyo de diverso origen y otras fuentes de deformación
serán considerados como cargas permanentes
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 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 conformada por camiones
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
El término de fuerzas longitudinales se refiere a fuerzas que actúan en la
dirección del eje longitudinal del puente, 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.
41
CARGAS DE VIENTO
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 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 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 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
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El efecto del flujo de agua sobre las pilas y la acumulación de sedimentos,
asumiendo la distribución parabólica de segundo grado para la velocidad de
ésta forma una distribución triangular de presión.
Fuerzas de origen 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 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 de valor cero en
la base y valor máximo en la cubierta. En estructuras con un período de
vibración superior a 0,7 se supone que una 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 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 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 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 estado primitivo
que aun se encuentra en las zonas montañosas de Asia y América del Sur
43
(simples pasarelas formadas por trenzados de fibras vegetales) hasta que
se dispuso de materiales de suficiente resistencia y fiabilidad para
sustituirlas.
Cada material posee cualidades propias que definen
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 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, caracterizada
porque tiende a una reducción de volumen o un acortamiento en
determinada dirección.
La fuerza de compresión es la contraria a la de tracción, intenta comprimir
un objeto en el sentido de la fuerza.
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La fuerza de compresión es 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 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 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
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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 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
se aplican los principios 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 la sección transversal. A diferencia del esfuerzo normal, es
más difícil de apreciar en las vigas ya que su efecto es 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 pueden afectar, ya sea deformándolas, como fuerza cortante, etc
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