Equilibrio y resistencia 2012

De Casiopea


Carreras RelacionadasDiseño Industrial

RESISTENCIA DE PUENTES

El curso realizó cuatro puentes. Cada uno constituye un tipo de estructura con cable diferente. Los puentes construidos buscan lograr la mayor eficiencia: soportar la mayor cantidad de peso mediante una estructura lo más liviana posible.

Tipos de puente

Puente colgante

Florencia Aspillaga, Caterina Forno, Consuelo Lyng, Francisco Saenz


Los puentes colgantes son estructuras resistentes que permiten salvar una determinada luz mediante un mecanismo que funciona principalmente a base de tracciones, evitando gracias a su flexibilidad, flexiones que podrían debilitarlo. Resisten grandes distancias gracias a que las cargas se distribuyen de manera homogénea a lo largo de toda su superficie.

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Evolución

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En un primer momento se piensa un puente colgante compuesto por dos pilares en los extremos, los cuales sujetan una catenaria en donde van colocados los tensores. Hacia el otro lado están tensados al extremo del puente.El arco colocado en la parte superior dificulta los cálculos y requiere de tensores que no ayudan a la resistencia de la estructura. Por lo que se decide generar el arco en la parte superior

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Al invertir el arco, éste se comprime, ya que sujeta los tensores que afirman el puente colgante. En la parte superior se colocan compresores de modo que los arcos no colapsen al irse hacia el centro. Además se colocan tensores en la parte inferior de los arcos para que no se abran los arcos. La primera deformación apreciable aparece en los cantos de los arcos, los cuales se deforman y tuercen la estructura total.

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Para evitar que se tuerza la estructura, se refuerza el arco en la parte superior e inferior, quedando tres capas en vez de dos. Además se aumenta el número de compresores en la parte superior del arco, de modo de mantener el ancho. En la parte inferior de los arcos se cruzan tensores que, al estar embarrilados al centro, triangulan la estructura para evitar deformaciones. Los extremos de la superficie colgante se tensan a los arcos en la parte inferior, lo que ayuda a que éstos no se abran. En la imagen se muestran con flechas rojas los puntos donde hay tensión y flechas azules donde hay compresión.


Fuerzas que se ejercen sobre el puente

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Pesos colocados sobre el puente

CFRpuente35.jpg CFRpuente36.jpg CFRpuente34.jpg En la primera imagen se muestra al puente resistiendo dos bloques de cemento (38 kilos) con dos sacos de arena (19 kilos), lo cual hace un total de 57 kilos. La segunda imagen muestra al puente resistiendo a una persona (70 kilos), en este momento los compresores ubicados en la parte superior del puente saltan hacia afuera. La tercera imagen muestra la misma situación, en este caso la fuerza es de 85 kilos. El puente colapsa al quebrarse uno de los arcos en la parte inferior, la cual se va hacia dentro.



Lugar de colapso de la estructura

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Video de colapso del puente






Puente Arco

Amanda Kroeger, Karina Pinto, Valentina Roco, Macarena Silva

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. 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.

Evolución de la forma

Vpra-primera maqueta puente.pngVpra-primera maqueta puente superior.png

En un primer momento se piensa el puente tomando como referencia aquellos construidos por Santiago Calatrava, y se introduce un arco en una base de trupán que además es comprimido por dos ménsulas inferiores, las cuales sirven como puntos de apoyo. El arco incorpora tensores a ambos lados, los cuales distribuyen las cargas.

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Luego de haber hecho la primera maqueta se modifica el arco, y esta vez se genera por medio de piezas que posadas unas sobre otras, dan origen a la forma semicircular. Por los centros de las piezas atraviesa una piola que se tensa hasta que el arco queda firme y ninguna de sus partes se desplaza. Luego, al igual que en el primer acercamiento a la forma final, se le atraviesan tensores a algunas piezas del arco y se fijan, dejándolo así muy resistente. En cuanto al arco,la particularidad que le otorga el ser seccionado y con cierta inclinación en cada una se sus partes, es que se comprime a si mismo aún más, a medida que se ejerce fuerza sobre el puente(arco romano), volviendolo más resistente. Vpra-puentefinal3.png Vpra-puentefinal2.png

Materialidad:

  • Listón pino cepillado 2x1
  • MDF de 9mm espesor
  • Piola de 2mm

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Detalles y planimetría

Vpra-isometricaexplosivapuente.pngVpra-piezaclavepuente.png

Vpra-vistaspuente1.pngVpra-vistaspuente22.jpg

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Prueba final

Cuarta instancia, 85kg.

Quinta instancia y colapso 90Kg.


Zonas de colapso

La principal causante del colapso se debió a que los tensores que unen el arco con la base del puente, se encontraban “libres”(no fijos al arco).

Esto permitió al arco cierto rango de deformación, ya que los tensores modificaban sus largos quedando desiguales entre pares de tensores, cada vez que el puente era sometido a un esfuerzo. Cabe destacar también que las partes del arco sólo se encontraban unidas por un eje central, por lo que a la menor baja de tensión de su eje, este se debilitaba un poco. Esta pequeña libertad de movimiento se volvió critica al momento de recibir los 90 kilogramos de la última prueba, doblando el arco, y por consiguiente produciendo su colapso y posterior fisura en su base.


P3150190.JPG Vpra-puntodecolapso1.JPG

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Puente atirantado de contrapeso

Bárbara Jachura, Rocío Manzanares, Noemi Leal, Carolina Espinoza

Los puentes atirantados consisten de un tablero soportado por cables rectos e inclinados fijados a mástiles. Tienen tres partes principales: tablero, mástil, y tirantes. El tablero es soportado elásticamente en varios puntos a lo largo de su extensión por cables inclinados, fijados al mástil, las cargas permanentes y móviles son transmitidas al mástil, mediante los tirantes con una estructura reticulada con tirantes traccionados, los cuales transmiten las fuerzas de carga de tablero a inclinación de los tirantes, comprime el tablero del puente rigidizándolo y aportándole mayor resisttencia. El mástil y el tablero quedan comprimidos, por lo que aumenta su capacidad de carga y su resistencia a esfuerzos de cargas cortantes y dinámicas. El mástil se construye con una esbeltez proporcional al alcance de los tirantes y la luz a cubrir, el mástil es el que recibe y transmite las cargas como acciones verticales al suelo de fundación, además de ser el responsable por la estabilidad de la estructura, pues leves variaciones de su posición, generarían sobreesfuerzo en unos tirantes, y relajamiento en otros, con consecuencias como pandeo o rotación alrededor del eje longitudinal del puente. Por lo tanto, el objetivo del puente es mantener el mástil en posición de equilibrio respecto a la estructura.

Evolución del puente

Cev puente1.jpg Cev puente2.jpg Cev puente3.jpg

Las maquetas fueron realizadas en Mdf y los tirantes del puentes son piolas metálicas. Los tensores se distribuyen a la similitud de un arpa, los cables son paralelos y se anclan en varios puntos a distancias constantes en el mástil y en el tablero. El mástil, que en una primera formulación era de mayor mayor tamaño, se modificó hasta llegar a ser un listón de manera de disminuir el peso de la estructura, esta dimensión del mástil es suficiente para lograr el objetivo.


Planos del puente

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Archivo:Puenteatirantado16.pdf

Pruebas

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El puente será sometido a dos esfuerzos: uno en la zona del punto medio, y un segundo esfuerzo en un extremo.

PUENTE EN VOLADIZO

peso: 3kg

luz: 1,38 mts

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Fuerza aplicada en el punto medio

Al someter el puente a esfuerzo en el punto medio, sus extremos se ven elevados en comparación al punto donde se ejerce la fuerza. Los punto de apoyo se comienzan a acercar provocando que la distancia mayor entre apoyo y mástil (1.50 mt) disminuya y los tirantes se acorten, es decir, no trabajan.

Puentea1.jpg Puentea7.jpg


Fuerza aplicada en el extremo

Al ejercer el peso sobre el punto cercano al apoyo de mayor distancia del mástil, los tensores trabajan y la zona del tablero son se encuentra el peso es atraída, para de esta manera mantener el mástil en equilibrio respecto a la estructura y evitar su colapso.

Puentea8.jpg Puentea11.jpg Puentea10.jpg Puentea14.jpg

El puente colapsó frente al esfuerzo de 36 kilos.

Zonas de colapso en el puente

Puentea2.jpg Puentea13.jpg El puente se fracturó en la zona del mástil donde poseía una rótula, la que lo debilitó provocando el colapso ante el movimiento de la palanca y el tablero comenzó a ceder producto de la deformación producida por el esfuerzo en el extremo opuesto.

Soluciones

Cev puente5.jpg





Puente atirantado de tensión inferior

Matías Quero,Connie Olguín,Loreto Jara,Gabriel Olmos


El principió de este puente es el trabajo de la tensión. Se trata de una estructura arqueada, por la cual cruzan dos tensores en sentido longitudinal( por su parte inferior).Estos tensores se sustentan en 14 elementos compresores que actúan al momento de ser sometidos a cierta cantidad de carga.Al ser la loza levemente alabeada aumenta el rango de compresión de la estructura, siendo esta forma un factor de oposición a la tensión, lo que permite una estructuración mucho menor y el trabajo integral de los tensores .

Relativo al puente

El puente se realizó en Mdf, tubos de pvc, piolas, abrazaderas de electricidad, y alambre trenzado. Su peso total es de 2 kg,dejando una luz de 130 cm y a una altura de 8 cm con respecto al eje horizontal del arco.

representación de las fuerzas

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Colapso

El colapso se debe a tres factores:

-Amplitud del radio de compresores:Tiene que ver con un aspecto constructivo y dice relación a la reducción del material realizado por medio de 14 agujeros que constituyen la estructuración del puente. Este criterio en la construcción aumentó el colapso debido a la gran tensión ejercida en la loza tras el peso. El radio elevado de los agujeros aceleró el proceso de colapso, lo que culminó en la rotura del material en torno a uno de estos ejes.

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-materialidad de compresores: Así como la fijación de los elementos de compresión se encuentra la vinculación de los tensores. Se trata de un agujero en sentido longitudinal al puente, en el extremo de cada compresor, por donde pasa una piola con un total de 7 particiones.El problema surge cuando estos agujeros comienzan a deformarse tras la compresión ejercida por el peso, debido principalmente a que el material correspondía a tubos de pvc, cuyo índice de deformación es muy elevado.

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-Sujeción de compresores:Básicamente corresponde a la partición innecesaria de la piola, hecho que impedía un trabajo de tensión uniforme.

PUNTO DE COLAPSO DEL PUENTE 42KG

Maximo peso punto critico.jpg
Puente colapsado.jpg

Dibujo lineal del puente

Archivo:Ensamble puente.pdf

PUENTE EXPLOSIONADO.jpg

link video de colapso http://www.youtube.com/watch?v=WLLLm-dx8HI&feature=youtu.be

Replanteamientos estructurales soluciones posibles

Puente soluciones.png
Traccion.png

1-suplantar los elementos compresores de PVC por tubos de aluminio de menor radio.

2-incorporar golillas a ambos extremos, afirmadas con puntas de menor radio que el alambre trenzado.

3-Vincular los compresores con una piola continua (no seccionada)

4-suplantar las abrazaderas con un material mas denso, acero, bronce, hierro etc.

5-Incorporar compresores tranversales a los tubos

Fundamento

Al cambiar el radio de los agujeros se reduce el punto de colapso en torno a estos ejes, las golillas por su parte reducen la presión de las puntas tras la compresión, ya que reparten la fuerza por una mayor superficie, lo que somete a los ejes a menor fatiga.El cambio de material de los compresores por un material mas denso significa mayor tolerancia a a la compresión en sentido axial y a la tracción en sentido transversal. La continuidad de la piola mejora el trabajo de tracción, haciendo que los compresores trabajen en forma conjunta y no por separado.La última medida posible tiene que ver con la apertura de los tubos en caso de alguna desalineación entre el tubo y el agujero, para lo cual sería útil un elemento compresor entre estos tubos, Así se disminuye aún mas la fuerza de roce a la que es sometida el eje de unión.