"Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria" TÍTULO:
EQUIPO DE TRABAJO: ALUMNOS: GRADO DE ESTUDIOS: PROFESOR ASESOR: ESPECIALIDAD:
I.E. : “
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LIMA - 2013
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DEDICATORIA
A toda mi familia, y en especial a mis padres por ser los seres más increíbles del mundo y que nunca dejaron de creer en mí y que lograría alcanzar esta meta, gracias por todo su amor ,cariño, comprensión, consejos y de vez en cuando regaños que fueron necesarios para llegar a ser el hombre que soy. A mi padre por ser mi mejor amigo, por ser el ejemplo de perseverancia y de positivismo que siempre he seguido, inculcándome siempre que la mejor manera para solucionar los problemas que se presentan en la vida es enfrentarlos. A mi madre por ser una gran mujer a quien admiro y quiero mucho, por darme siempre buenos consejos, su cariño, y llamarme la atención cuando ha sido necesario. A mi hermana, por haber sido tolerante conmigo, darme su afecto af ecto y extenderme su mano cuando más la he necesitado. A todos ustedes gracias mil gracias, porque sin su apoyo no hubiese alcanzado esta meta de mi vida, siempre pediré a Dios que los proteja y ayude siempre.
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CONTENIDO Car átula………………………………………………………………… átula…………………………………………………………………
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Dedicatoria……………………………………………………… Dedicatoria……………………… ……………………………………. …….
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Contenido…………………………………………………………….....
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I.- Resumen ejecutivo ampliado………………………… ampliado…………………………………….. …………..
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II.- Introducción……………… Introducción……………………………………………………… ………………………………………..
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III.- Problemática……………………………………………………..
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IV- Objetivo …………………………………………………………….
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V- Justificación……………… Justificación……………………………………………………… ………………………………………… …
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VI.- Breve marco teórico……………………………… teórico……………………………………………… ………………
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6.1.- Conceptos y definiciones 6.2.- fundamento teórico VII.- Solución del problema…………………… problema……………………………………… …………………..
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VIII.-Concl usiones…………………………………………………… usiones……………………………………………………
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IV.- Referencias Bibliográficas……………………………………
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VIII.- Anexos………………… Anexos………………………………………………… ………………………………………. ……….
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I.- RESUMEN EJECUTIVO AMPLIADO El presente trabajo de investigación denominado como “FUERZAS QUE ACTÚAN EN LA ESTRUCTURA DE UN PUENTE COLGANTE ” ha sido realizado por los estudiantes, ……………..con el asesoramiento de su profesor Jorge Huasasquiche Reyes, se basa fundamentalmente en dar a conocer, identificar, preservar, difundir y recuperar los conocimientos acerca de las fuerzas que actúan sobre la estructura al construir un puente colgante usando la 3era ley de Newton(ley de acción y reacción) , además de los esfuerzos a los cuales se encuentran sometidos los materiales que conforman el puente (tracción, compresión, flexión y torsión). Con este trabajo queremos que la población conozca los beneficios que podemos obtener al aplicar correctamente las leyes de newton (construcción de diversos puentes). Y a la vez nos puede beneficiar a proteger obstáculos naturales, como valles, ríos, lagos o brazos de mar; y obstáculos artificiales, como vías férreas o carreteras, que nos permite pasar sobre él y con el fin de unir caminos. En la actualidad los puentes colgantes colgante s son muy usados usad os ya que soporta el tráfico rodado y también líneas de ferrocarril ligeras, ya que los materiales de la construcción han mejorado. En forma específica nosotros veremos la aplicación de las fuerzas que actúan sobre una estructura, originando así que cada uno de sus elementos se encuentren sometidos a distintos esfuerzos (tracción, compresión, flexión y torsión) que se originan en los cables, bases y columnas que conforman un puente colgante. Este documento busca fortalecer los conocimientos desarrollados desa rrollados en clase de física f ísica donde se observó diversos tipos de fuerzas (tensiones, peso, reacción normal), con el fin de que estas experiencias sirvan para todas aquellas personas interesadas en mejorar definiciones y aplicaciones de términos en la Ingeniería I ngeniería Civil. Orgullosamente y con muchas esperanzas esperamos que este canal de comunicación más directo con nuestros usuarios sea acogido por los interesados en el tema y que esta orientación permita mostrar las bondades que podemos obtener al saber aplicar las distintas fuerzas en una determinada estructura, como ejemplo tenemos el puente colgante Golden Gate Bridge (situado en California, Estados Unidos, que une la península de San Francisco por el norte con el sur de Marín ,con una una Longitud Longitud total: 2.737 total: 2.737 m y altura de 227 m)
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II.- INTRODUCCIÓN Un puente colgante es un puente un puente sostenido sostenido por un arco invertido formado por numerosos cables de acero, de acero, del del que se suspende el tablero del puente mediante tirantes verticales. Desde la antigüedad este tipo de puentes han sido utilizados por la humanidad para salvar obstáculos. Con el paso de los siglos y la introducción y mejora de distintos materiales de construcción, este tipo de puentes son capaces en la actualidad de soportar el tráfico rodado e incluso líneas de ferrocarril. El diseño actual de los puentes colgantes fue desarrollado a principios del siglo del siglo XIX. Los XIX. Los primeros ejemplos incluyen el puente de Menai, Menai, el de Conwy, Conwy, ambos puestos en funcionamiento en 1826 en el Norte del País de Gales, de Gales, y y el primer puente Hammersmith (1827) en la zona Oeste de Londres. Londres. El llamado Golden Gate Bridge, uno de los más famosos, y récord de longitud del vano central durante muchos años. San Francisco (California) Trataremos con claridad algunas definiciones: *Fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de reposo o de movimiento. Para que exista una fuerza es necesaria la presencia de dos cuerpos que interaccionen. * Tensión es un tipo de fuerza, en la cual se acelera un objeto a través de una cuerda o algo similar. * Esfuerzo se refiere a la magnitud de una fuerza aplicada en o sobre una superficie, dividida entre el área de dicha superficie. Cada elemento de una estructura puede soportar esfuerzos diferentes, que pueden ser de tracción, compresión, flexión, cortadura o cizalla y torsión.
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III.- PROBLEMÁTICA Al no tener en claro las definiciones de los distintos esfuerzos (tracción, compresión, flexión y torsión) podemos podemo s llegar a tener accidentes que aparte de traer gastos económicos puedan cobrar muchas vidas humanas.
Al faltar rigidez rigidez el puente se puede volver intransitable en condiciones de fuertes vientos
o turbulencias, y requeriría cerrarlo temporalmente al tráfico. Esta falta de rigidez dificulta mucho el mantenimiento de vías ferroviarias, hay que saber que la fuerza principal en un puente colgante es la tensión que q ue da origen a l esfuerzo de la tracción.
Bajo grandes cargas de viento, las torres ejercen un gran momento (fuerza en sentido
curvo) en el suelo, y requieren una gran cimentación gran cimentación cuando se trabaja en suelos débiles, lo que resulta muy caro.
No todos los puentes colgantes usan estructuras de acero reticuladas para pa ra soportar la
carretera (en consideración a los efectos desfavorables que muestran los puentes con placas laterales verticales, como se vio en el desastre del puente de Tacoma de Tacoma Narrows)
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IV.- OBJETIVO DE LA INVETIGACIÓN
OBJETIVOS GENERALES
* Dar a entender al mundo entero la importancia de los puentes colgantes en la ingeniería civil para así poder preservar recursos naturales o poder comunicar ciudades separadas por algún rio, brazo de mar, precipicios, etc. * Entender y comprender como es funcionamiento interno de las fuerzas sobre la estructura de puente colgante, colgante, principalmente en los cables y las bases que los sostienen.
OBJETIVO ESPECÍFICOS
Fortalecer nuestro conocimiento sobre las fuerzas f uerzas que actúan en la estructura de un puente colgante en la ingeniería civil, ya que en nuestra carrera esto es un tema de suma importancia para así poder comprender las construcciones e infraestructura.
V.- JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Este trabajo cuenta con información sobre los puentes colgantes y los distintos esfuerzos (tracción, compresión, flexión y torsión) que se originan por algunas fuerzas (tensión, peso, reacción) en los materiales de su infraestructura, infraestruc tura, también se da a conocer la historia h istoria de los puentes, y algunos datos adicionales como es el puente más largo y significativo en el mundo actual.
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VI.- MARCO TEORICO *CONCEPTO Y DEFINICIONES BÁSICAS ESTRUCTURA: es un conjunto de elementos capaces de soportar fuerzas y trasmitirlas a los puntos donde se apoya con el fin de ser resistente y estable. Estas fuerzas que actúan sobre una un a estructura se llaman cargas. Ejemplo de estructura de un puente colgante colgan te
Las CARGAS pueden ser:
El propio peso de la estructura
El peso de los elementos que se colocan sobre ella.
El viento que la empuja, la nieve que se posa sobre ella.
Etc.
TIPOS DE ESFUERZOS •
Cuando una estructura está sometida a fuerzas, llamadas cargas, cada uno de sus
elementos está sometido a esfuerzos. •
ESFUERZOS: son las fuerzas que aparecen en los elementos de una estructura cuando
está sometida a otras fuerzas o cargas.
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Cada elemento de una estructura puede soportar esfuerzos diferentes, que pueden ser de
tracción, compresión, flexión, cortadura o cizalla y torsión.
Así definiremos definiremos cada una una de ellas:
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 permanecid o en el estado estado primitivo primitivo que que aun se encuentra encuentra en las zonas montañosa montañosass de Asia y América del Sur (simples (simples pasarelas pasarelas formadas por trenzados trenzados de fibras fibras vegetales) vegetales) hasta que que se dispuso de materiales de suficiente resistencia y fiabilidad para sustituirlas. Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la tracción.
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Algunas de ellas son: elasticidad, plasticidad, ductilidad, fragilidad 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. 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. 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.
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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, quien, además, desarrolló para su formulación el llamado cálculo de fluxiones (lo que en la actualidad se conoce como cálculo integral). Bien aplicando la Tercera Ley de Newton: Newton: (por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma: Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.) En un puente colgante deberá soportar soportar el peso, a través de los cables, y habrá una tensión 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. básicos. Un ejemplo si no te hundes en el piso, es porque existe una fuerza de igual dirección y magnitud, pero de sentido contrario. Las principales fuerzas son la carga que tiene que soportar el puente y el peso propio del puente (por supuesto ahí es donde interviene la gravedad).Después tienes la acción de los vientos, del agua si está construido sobre ella, etc. Digamos que el aspecto principal a tener en cuenta es que el puente debe soportar su propio peso y la carga transmitiéndolo a los cimientos a través de las columnas.
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FUERZA DE CORTANTE.
La tensión cortante o tensión de corte es aquella que, fijado un plano, actúa tangente al mismo. Se suele representar con la letra griega tau En piezas piezas prismáticas, las tensiones tensiones cortantes aparecen 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 (i. e., uno perpendicular al eje longitudinal). A diferencia del esfuerzo normal, es más difícil de apreciar en las vigas ya que su efecto es menos evidente. 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, cortantes, y la mayoría de los materiales materiales son poco resistentes resistentes a ellas.
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*FUNDAMENTO TEORICO De la Tercera Ley de Newton: (Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma: Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.)
Mira 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. Actualmente los puentes colgantes se utilizan casi exclusivamente para par a grandes g randes luces; lu ces; por ello, salvo raras excepciones, todos tienen tablero metálico. El puente colgante es, igual que el arco, una estructura que resiste gracias a su forma; en este caso salva una determinada luz mediante un mecanismo resistente que funciona exclusivamente a tracción, evitando gracias a su flexibilidad, que aparezcan flexiones en él. El cable es un elemento flexible, lo que quiere decir que no tiene rigidez y por tanto no resiste flexiones.
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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 fo rzosamente con la línea generada por la tray ectoria de una de las posibles composiciones del sistema de fuerzas que actúan sobre él. Esta línea es el funicular del sistema de cargas, que se define precisamente como la forma que toma un hilo flexible cuando se aplica sobre él un sistema de fuerzas. La curva del cable de un puente colgante es una un a combinación de la catenaria , porque el cable principal pesa, p esa, y de la parábola, porque también pesa el tablero; sin embargo la diferencia entre ambas curvas es mínima, y por ello en los cálculos generalmente se ha utilizado la parábola de segundo grado.
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El cable principal es el elemento básico de la estructura resistente del puente colgante. Su montaje debe salvar el vano entre las dos torres y para ello hay que tenderlo en el vacío. Esta fase es la más complicada complica da de la construcción de los puentes colgantes. colgan tes. Inicialmente se montan unos cables auxiliares, que son los primeros que deben salvar la luz del puente y llegar de contrapeso a contrapeso. La mayoría de los grandes puentes colgantes están situados sobre zonas navegables, navegable s, y por ello permite pasar los cables iníciales con un remolcador; pero esto no es siempre posible. Como el sistema de cargas de los puentes es variable porque lo son las cargas de tráfico, los puentes colgantes en su esquema elemental son muy deformables. Este esquema elemental consiste en el cable principal, las péndolas, y un tablero sin rigidez, o lo que es lo mismo, con articulaciones en los puntos de unión con las péndolas. En la mayoría de los puentes colgantes, las péndolas que soportan sopo rtan el tablero son verticales.
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VII.- SOLUCIÓN AL PROBLEMA Actualmente los puentes colgantes se utilizan casi exclusivamente para grandes luces su estructura es principalmente constituida por un arco invertido (catenaria) que debe ser enlazado a cada extremo del puente. El tablero suele estar suspendido mediante tirantes verticales que soportan grandes tenciones. La suspensión en los puentes más antiguos puedes hacerse por cadenas o barras enlazadas. Pero los puentes modernos tienen cables de acero esto es para mayor redundancia, así mismo las bases están hechas de fierros y hormigón que hacen una base más fuerte y estable. VENTAJAS: El vano central (abertura, distancia a salvar entre los pilares o columnas del puente) puede ser muy largo, permitiendo comunicar cañones ca ñones o vías de agua muy largos. Puede tener la plataforma a gran altura permitiendo el paso de barcos muy altos No se necesitan apoyos centrales durante su construcción, permitiendo construir sobre cañones o cursos de agua muy ocupados por el tráfico marítimo. Siendo relativamente flexible, puede flexionar bajo vientos severos y terremotos donde un puente más rígido tendría que ser más fuerte. f uerte. Los cables son individuales permitiendo ser cambiados en el futuro, f uturo, y así evitar problemas si este tendría un solo cable
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VIII.- CONCLUSIONES 1. Un puente colgante es un puente sostenido por un arco invertido formado por numerosos cables de acero, del que se suspende el tablero del puente mediante tirantes verticales. 2. Los puentes colgantes conectan barrancos o vías de agua muy anchas, y los que tienen plataformas muy altas permite el paseo de grandes barrancos,. barrancos ,. 3. Los puentes colgantes están hecho de materiales resistentes que hacen que aguanten su propio peso y el de otros cuerpos. cuerpo s. 4. Las partes de un puente son: Cables principales, encaje, armadura de fuerza, tablero, tensores, torre y pilar. 5. Los puentes colgantes se sostienen por cuatro fuerzas: la fuerza de tracción, fuerza de comprensión, fuerza gravitatoria, fuerza cortante. 6. La fuerza de tracción: Se aplica en dos fuerzas opuestas se suelen localizar en los cables principales y se estira. 7. La fuerza de comprensión: Es lo contrario que la de tracción, es el resultado de tensiones y presiones se caracteriza por la reducción del volumen y acortamiento en direcciones y se mantiene en un estado donde las partículas se aprietan. 8. Fuerza Gravitatoria: Es la atracción mutua con la Tierra por tener masa, donde soporta su propio peso y hace una resistencia entre el puente por el material en el que está hecho. 9. Fuerza Cortante: Se presenta en las vigas o pilares en sección transversal que se puede representar en planos. 10. Cuando un puente colgante esta en reposo, es decir, sin movimiento, todas las fuerzas que actúan sobre él se encuentran en equilibrio o, en otras palabras, la suma de todas las fuerzas es igual a cero, se anulan mutuamente. 11. 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. 12. Bien aplicando la Tercera Ley de Newton: (por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma: Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.)
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IX.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Serway – Jewet; Jewet; Física para Ciencias e Ingeniería 7° edición; vol. 1 Editorial CENGAGE LEARNING; 2009; ISBN: 978-970-686-8220 978-97 0-686-8220
Tipler – Mosca; Mosca; Física para la Ciencia y la Tecnología 5° edición; Editorial REVERTE 2005; ISBN: 842-914-41-126 842-9 14-41-126
Frederick Bueche – Eugene Eugene Hetch; Física General 10° edición Editorial McGRAW-HILL; Editorial McGRAW-HILL; ISBN-13: 978-970-10-6161-9 978-970-10 -6161-9 Competencias Científicas 2. Daniel Alvares Arellano. Grupo Editorial NORMA. Miembro de la cámara Nacional de la Industria I ndustria Mexicana. Segunda Edición 2008. 350 páginas.
Ciencias 2 Física. Israel Gutiérrez Castillo. Segunda reimpresión abril 2009. 320 páginas.
Anónimo. Puente Colgante. http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_colgante
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ANEXOS
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FOTOS SOBRE EL PROCESO DEL PROYECTO
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AGRADECIMIENTOS
Se agradece por su apoyo incondicional y motivación para seguir trabajando en este proyecto a:
Prof. Asesor: JORGE HUASASQUICHE REYES.
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