ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECÁNICA INGENIERÍA MECÁNICA TEMA:
Construcción de Puente Puente de Fideos
ASIGNATURA:
Estática
DATOS GENERALES:
Daniel Arias
CODIGO: 7051
David Castro
6782
Jessica Chacha
7025
Mauricio Medina
6860
NOMBRE:
Stalyn Pilamunga David Taday
7033
FECHA Y LUGAR: Riobamba, 10 de febrero del 2017
CONTENIDO
INTRODUCCION .......................................................................................................... 3 PRESENTA PRESENTACIÓN CIÓN ................ .................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ...................... .... 4 OBJETIVOS OBJETIVOS ................ ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. .............................. ............. 4 General General............... ............................... ................................. .................................. .................................. .................................. ................................. .................. .. 4 Específico Específicoss ................ ................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ........................... .......... 4 MARCO TEORICO ....................................................................................................... 5 Fuerza Fuerza ................ ................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................... .. 5 Compresió Compresión n ............... ............................... .................................. .................................. ................................. .................................. ........................... .......... 5 Tracción o Tensión ................................................................................................. 5 Puente Puente ................ ................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................... .. 6 Tipos de Puente Puente ................ ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................... .. 7 Eficiencia Eficiencia ................ ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. .............................. ............. 8 Fallas en un Puente ................................................................................................. 9 ESTRUCTURA DE PUENTES EN ARCO .................................................................. 10 MEMORIA DE CÁLCULOS ........................................................................................ 12 DISEÑOS EXPLORATORIOS ................................................................................ 12 PROPIEDADES PROPIEDADES FÍSICAS Y GEOMETRICAS GEOMETRICAS DEL MATERIAL MATERIAL .................. ......... .................. ........... 13 SELECCIÓN DEL TIPO DE PUENTE ........................................................................ 17 DISEÑO DEL PUENTE .............................................................................................. 17 Modelado del Puente ............................................................................................ 17 Diseño en AutoCAD .............................................................................................. 18 Análisis Estructural ........................................................................................... 19 PLOTEO DE PLANOS DE CONSTRUCCIÓN CONSTRUCCIÓN................... ......... ................... .................. ................... ................... ............. .... 24 CONSTRUCCIÓN CONSTRUCCIÓN DE PIEZAS Y ARMADO ARMADO DE PUENTE .................. ........ ................... .................. ............... ...... 24 CONCLUCIONES CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES ................... .......... ................... ................... .................. ................... ............... ..... 26 Error! Bookmark not defined. BIBLIOGRAFÍA .................................................................Error!
INTRODUCCION En general el tema de puentes es un contenido interesante e innovador dentro de la ingeniería. En el cual se utiliza la aplicación de los conocimientos adquiridos en diferentes
cursos
como
resistencias
de
materiales,
concreto
armado
y
específicamente en el análisis de estructuras, este último es parte de la materia de Estática cuya propósito es determinar las fuerzas que están en tensión y compresión actuando sobre una armadura estos conocimientos aparte de la construcción de puentes se los aplica también en muchas otras estructuras. La idea del puente es tan primitiva como cuando el hombre, al llegar a un curso de agua o una quebrada le nace inmediatamente la idea de valerse de algún elemento que permita cruzarlo, el puente más primitivo que existe es el conocido ejemplo del puente de monos en el cual una cadena de estos animales se balancean hasta alcanzar una rama de la varilla opuesta pasando el r esto de los animales por el puente así formado. La idea del hombre de colocar troncos de árboles o grandes piedras de los sitios estrechos de las quebradas, es lo más primitivo que se conoce. En estas épocas se intensifican el desarrollo de la técnica de dos aspectos: el diseño y la construcción. Aparecen además nuevos materiales de incalculable valor para la conquista de mayores luces: El acero y el hormigón armado, estos dos materiales han desplazado casi por completo a las construcciones de albañilería y de manera absoluta a las de fierro fundido. Hoy en día, el análisis de una estructura se ha tornado muy analítico y exacto, debido a la rigurosidad que exige diseñar un puente; es por eso que el estudio del análisis de estructuras se basa en conocimientos de la física, matemática y específicamente estática, aplicando varios leyes de equilibrio para así poder determinar un balance entre la carga y la resistencia de la estructura formada únicamente por armaduras.
PRESENTACIÓN En el siguiente informe se tratara de predecir la carga máxima que resistirá un prototipo de puente compuesto por fideos (spaghettis), esto se lograra básicamente gracias a los conocimientos aprendidos en el curso de Estática, dentro del cual estudiamos el análisis de armaduras mediante el método de los nodos, lo cual consiste en determinar cuál es el miembro que fallara al exponer el puente a una sobrecarga mayor al que se determinó.
OBJETIVOS
Diseñar un puente de fideos (spaghettis) con los respectivos cálculos en todos los elementos y establecer si están en tensión y comprensión.
Aplicar y consolidar los conocimientos teóricos de la materia del curso de estática.
Utilizar los differences software inherentes de la carrera con finalidad de saber experimentalmente los aciertos y desaciertos, que en la teoría no se evidencian.
MARCO TEORICO Conocimientos previos:
Fuerza Se denomina fuerza a cada una de las acciones mecánicas que se producen entre los cuerpos. Una fuerza se caracteriza por:
Su punto de aplicación sobre el cuerpo
Su dirección o línea de acción
Su sentido, que puede ser en cualquiera de los dos opuestos que define la línea de acción
Su magnitud que indica la intensidad de la misma
Las fuerzas que pueden actuar sobre un cuerpo se clasifican en fuerzas de volumen y fuerzas de superficie.
Compresión 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.
Tracción o Tensión Se define la tensión como el cociente entre la fuerza aplicada y la superficie sobre la cual se aplica. Las tensiones en los puntos interiores de un cuerpo son debidas a las fuerzas internas que aparecen para compensar las fuerzas externas y mantener la cohesión del sólido. En el análisis general de una pieza deformable, se define la tensión en un punto P asociada a un plano p determinado que pasa por dicho punto como el vector: siendo DF la resultante de las fuerzas internas sobre una pequeña área DA, definida en los alrededores de P y contenida en el plano p.
Puente Un puente es una construcción que permite salvar un accidente geográfico como un río, un cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua o cualquier otro obstáculo físico. El diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la naturaleza del terreno sobre el que se construye. Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, siendo numerosos los tipos de diseños que se han aplicado a lo largo de la historia, influidos por los materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones económicas, entre otros factores. Al momento de analizar el diseño de un puente, la calidad del suelo o roca donde habrá de apoyarse y el régimen del río por encima del que cruza son de suma importancia para garantizar la vida del mismo.
Tipos de Puente
En viga, trabaja a tracción en la zona En ménsula, trabaja tracción en la inferior de la estructura y compresión zona superior de la estructura y en la superior, es decir, soporta un compresión en la inferior, los puentes esfuerzo de flexión atirantados son una derivación de este estilo.
En arco, trabaja en compresión en la Colgante, trabaja a tracción en la mayor parte de la estructura
mayor parte de la estructura
Apuntalado, compuesto de elementos Atirantado,
su tablero está conectados con tensión, compresión o suspendido de uno o varios pilones centrales mediante obenques. ambos.
Eficiencia
Puentes de arco
Puentes de cuerda
La eficiencia estructural de un puente puede ser considerada como el radio de carga soportada por el peso del puente, dado un determinado conjunto de materiales. En un desafío común, algunos estudiantes son divididos en grupos y reciben cierta cantidad de palos de madera, una distancia para construir y pegamento, y después les piden que construyan un puente que será puesto a prueba hasta destruirlo, agregando progresivamente carga en su centro. El puente que resista la mayor carga es el más eficiente. Una medición más formal de este ejercicio es pesar el puente completado en lugar de medir una cantidad arreglada de materiales proporcionados y determinar el múltiplo de este peso que el puente puede soportar, una prueba que enfatiza la economía de los materiales y la eficiencia de las ensambladuras con pegamento. La eficiencia económica de un puente depende del sitio y tráfico, el radio de ahorros por tener el puente (en lugar de, por ejemplo, un transbordador, o una ruta más larga) comparado con su costo. El costo de su vida está compuesto de materiales, mano de obra, maquinaria, ingeniería, costo del dinero, seguro, mantenimiento, renovación y, finalmente, demolición y eliminación de sus asociados, reciclado y reemplazamiento, menos el valor de chatarra y reutilización de sus componentes. Los puentes que emplean sólo compresión, son relativamente ineficientes estructuralmente, pero pueden ser altamente eficientes económicamente donde los materiales necesarios están disponibles cerca del sitio y el costo de la m ano de obra es bajo. Para puentes de tamaño medio, los apuntalados o de vigas suelen ser los más económicos, mientras que en algunos casos, la apariencia del puente puede ser más importante que su eficiencia de costo. Los puentes más grandes generalmente deben construirse suspendidos.
Fallas en un Puente
Fallo debido a corrosión
Fatiga de los materiales
Viento
Diseño estructural inadecuado
Terremotos
Procedimiento inadecuado de construcción
Sobrecarga o impacto de embarcaciones
Materiales defectuosos
ESTRUCTURA DE PUENTES EN ARCO Los puentes en arco como su nombre lo dice, son aquéllas cuya estructura va de un punto a otro punto formando un arco, o simplemente formado por varios arcos, estos trabajan transfiriendo el peso propio del puente y las sobrecargas de uso hacia los apoyos mediante la compresión del arco, donde s e transforma en un empuje horizontal y una carga vertical.
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. En cuanto al diseño estructural, es necesario conocer los componentes de estos tipos de puentes, y a sí mismo el estudio de dichos materiales.
Para obtener un buen control de seguridad en la estructura de puentes, se obtendrá de la respuesta de un determinado material, ordenado según una determinada tipología bajo el efecto de unas acciones. Pero la tecnología actual nos permite analizar las propiedades de los materiales, y así determinar la forma en que se utilizará cada uno de ellos.
De acuerdo a investigaciones. Se establece que un puente puede descomponerse en tres partes principales:
Tablero, que recibe directamente las sobrecargas debidas al tráfico.
Sistema primario, que soporta el tablero y trasmite las cargas a los apoyos.
Subestructuras, se incluyen pilas y estribos con sus correspondientes cimentaciones y aseguran la transición de las cargas desde el sistema primario hasta el terreno.
Generalmente un puente de arco es un sistema primario está constituido por dos arcos tangentes en clave conectados al tablero
El puente es una estructura compuesta por elementos constructivos que configuran individualmente sistemas resistentes elementales, como la viga y la placa. Y para la determinación del estado de desplazamientos y tensiones en este tipo de construcción exige la adopción de un modelo estructural. Monleón, S. (1997).
MEMORIA DE CÁLCULOS DISEÑOS EXPLORATORIOS Para la realización de este proyecto, fue conveniente realizar pre-diseños y construcciones físicas de los mismos, con el material base que es el spaghetti, con la finalidad de conocer en tiempo real las dificultades con las que se lidiarán durante toda la realización del proyecto.
En los diseños exploratorios del puente, se realizaron estructuras de poca y mediana complejidad, gracias a la obtención de información experimental sobre:
Uniones 3D
Eficiencia del fideo
Eficiencia del pegamento
Tiempos y fases que require la construcción
Ambientes apropiados para su realización.
Llegando a realizar las pruebas con modelos de armaduras planas e hiperestáticas ,unidas mediante piezas transversales y arriostres diagonales ,el tamaño de los diversos
puentes realizados están hechos a diferentes escalas del tamaño real
de competencia .Concluyendo así
en utilizar formas de arcos para el diseño .
PROPIEDADES FÍSICAS Y GEOMETRICAS DEL MATERIAL Antes de empezar el diseño real y los cálculos del puente , es necesario contar con diversos datos de las propiedades de los materiales que se están utilizando en la elaboración del mismo ,lo cual conlleva a un trabajo de investigación previo ;ya que el material base de la construcción del puente es el fideo (spaghetti),el cual no es un material común del que se tengan especificaciones en el aspecto constructivo. Los experimentos se realizaron en la Facultad de Ciencias en los laboratorios de Química Aplicada, donde se realizaron las pruebas a 2 diferentes marcas comerciales de buena calidad, Don Vittorio y datos:
Barrilla, con la finalidad de obtener los siguientes
Diámetro promedio de un fideo (spaghetti)
Densidad y densidad lineal de los fideos
Esfuerzo máximo a tracción de un fideo
Esfuerzo máximo a tracción de una unión de fideos
Módulo de elasticidad del spaghetti para pandeo
1.- Diámetro promedio de un fideo spaghetti Se realizó la prueba en el laboratorio de Talleres I de la Escuela de Ingeniería Mecánica, mediante la utilización de un calibrador vernier y con 10 spaghettis al azar, para cada marca comercial evaluada, obteniendo así el valor más representativo mediante el promedio aritmético.
Obteniéndose como resultado promedio: ∅ = 1,67
2.- Densidad y densidad lineal de los fideos Se realizó en el Laboratorio de Talleres mediante el uso de una balanza electrónica de precisión.
Haciendo pruebas entre grupos de 10 fideos se obtuvo como resultado promedio = 3,245110 − /
3.-Esfuerzo máximo a tracción de un fideo Es necesario someter a la probeta de fideo, a un esfuerzo solamente de tracción sin aplicar momentos flectores ni cortantes además de cuantificar el esfuerzo sometido, existen equipos en el mercado para realizar este tipo de pruebas, dicho equipo no se contaba en la facultad ,en base a datos experimentales realizados por la “Universidad Nacional Federico Villareal Lima-Perú” en la cual mediante la construcción de una
máquina para prueba de tracción mediante el uso de una balanza de precisión como cuantificador de fuerzas y un equipo que transforme la compresión que mide la balanza en tracción para el fideo. . Las pruebas se la realizaron con la marca Don Vittorio llegando a obtener que los spaghettis alcanzaron resistencias de fuerzas de 2,8kg como máximo por cada fideo.
4.-Esfuerzo máximo a tracción de una unión de fideos En base a los datos experimentales realizados por la “Universidad Nacional Federico Villareal Lima-Perú”
Obteniendo como fuerza máxima de tracción 2 kg para una unión entre el spaghetti con el pegamento.
5.-Módulo de elasticidad del spaghetti para pandeo El módulo de elasticidad fue necesario para hallar deflexiones y esfuerzos críticos por pandeo. Para lo cual se tomaron como marco de referencia trabajos de investigación de la
“Universidad Politécnica de Madrid “ sobre
estos materiales para obtener el
módulo de elasticidad de spaghettis del mismo diámetro (1,67mm), en donde se concluye que el E del spaghetti es de 5GPa o 50000 kg/cm , que sirvió como referencia de acercamiento, pues en las pruebas que se realizaron con varios fideos, mediante la utilización de la fórmula de Euler para el pandeo = π EI/L ,se aproximó el E para el spaghetti Don Victorio de: = 23467 /
SELECCIÓN DEL TIPO DE PUENTE
Combinación de puente Bailey con puente en Arco
DISEÑO DEL PUENTE Modelado del Puente Para la realización del puente se ha considerado lo siguiente: Material: Fideo (Varilla)
Largo: >= 500 mm
Ancho: >= 50 mm
Altura: <=250 mm
Una vez conocido las consideraciones, se diseñó el puente con las siguientes medidas:
Largo: 530 mm
Ancho: 56 mm
Altura: 190 mm
El diseño se realizó acorde a las medidas antes mencionadas, cumpliéndose con las especificaciones y las dimensiones propuestas.
Diseño en AutoCAD 1. Primero se realizó la malla, la cual consta de las medidas de los espacios entre los elementos considerados.
2. Se dibujó la estructura del puente en forma de arco acorde a las medidas consideradas.
3. Se acoto cada medida, con la finalidad de conocer las dimensiones de ángulo y longitud de cada elemento que conforma la estructura
Análisis Estructural Para el análisis estructural se realizó la modelación del puente en dos dimensiones con ayuda del software SAP2000 que sirve para la modelación, diseño y cálculo de estructuras A continuación se muestra el procedimiento que se siguió en el programa: 1. Se creó una malla con las dimensiones que tendría la estructura a analizar
2. Se ingresó el valor del peso específico de la sémola, que es un producto utilizado para la elaboración de fideos, espaguetis, como los que se utilizó para el diseño del puente.
Los datos se presentan en la siguiente tabla.
3. Se asignó los distintos elementos en la malla anteriormente dibujada.
4. Se considera a los elementos dibujados como elementos estructurales.
El programa automáticamente identifica los elementos y los separa.
Se ingresa el valor de la carga en el punto asignado. En este caso se asignó un valor de 25 Kgf. Se consideró este valor debido a que cada elemento por separado (cada fideo) resistiría máximo 2.5 kgf a tracción.
5. Una vez asignado y definido las reacciones, la carga y el material se corre el análisis que ofrece el programa
6. Se da a conocer con color rojo los elementos que están sometidos a compresión y de color azul a los elementos que están a tracción.
7. Se puede mostrar los valores que cada elemento soporta ya sea de tracción o compresión.
8. Desde SAP 2000 se puede exportar las tablas de valores de las fuerzas de cada elemento, teniendo lo siguiente: Fuerza de cada elemento
Las demás tablas del análisis estructural se anexaran en el archivo digital en excell.
PLOTEO DE PLANOS DE CONSTRUCCIÓN Finalmente mediante el diseño hecho en AutoCAD se obtuvo los planos con los diferentes tipos de secciones con la finalidad de empezar la fase de construcción.
CONSTRUCCIÓN DE PIEZAS Y ARMADO DE PUENTE En construcción del puente se utilizó bicarbonato, con la f inalidad de que absorba la humedad del ambiente. También se tuvo que hacer la construcción en un ambiente tranquilo y amplio para poder trabajar adecuadamente en la realización del mismo.
Contando con un ambiente relativamente seco, y con un absorbedor de humedad se procedió a realizar el armado de las piezas, en este diseño todas las cargas van aplicadas a un solo punto (centro del puente), así como también el mismo cuenta con diversas tipos de sección debido a que algunas necesitan soportar cargas compresivas mientras que otras cargas a tracción.
Ese mismo proceso se realizó también para cada una de las vigas que parte del centro del puente hacia el arco con la finalidad que la carga se distribuya uniformemente.
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES
Se concluye que para puentes de arco, es muy recomendable el uso de sistemas parabólicos, debido a que distribuyen las cargas que se le aplican, de manera uniforme en cada barra que conforma el arco parabólico.
Para este trabajo se utilizó el método de las fuerzas para el cálculo de esfuerzos internos, gracias a la ayuda de un software con el propósito de saber que fuerzas estas en comprensión y tensión actuando sobre la estructura.
Se recomienda realizar pruebas experimentales con modelos de complejidades medias, semejantes al que se quiere; y realizarlas con el equipo de trabajo en conjunto para conocer las dificultades físicas y organizativas que enfrentarán.
Se recomienda el uso de algún producto hecho a base de material absorbente de humedad (“bicarbonate”), pues esta puede afectar la resistencia de los spaghettis, con la finalidad de que el puente soporte mas carga.
BIBLIOGRAFÍA
Monleón, S. (1997). Ingeniería de Puentes: análisis estructural. Valencia: U.P.V.
Timoshenko, S. (1989). Resistencia de Materiales: Teoría Elemental y Problemas. España: Epasa – Calpe
G. V. Guinea, F.Rojo, T. Musulén y M. Elices, Fractura Frágil de Fibras de Sémola.
Gere-Thimoshenko, Mecánica de materiales
ANEXOS
