Un truss de Howe es un puente de truss que consta de cuerdas, verticales y diagonales cuyos miembros verticales están en tensión y cuyos miembros diagonales están en compresión. El truss Howe fue inventado por William Howe en 1840, y fue ampliamente utilizado como puente a mediados y finales del siglo XIX.
Lleva | Peatones , automóviles , camiones , tren ligero , tren pesado |
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Rango de alcance | Corto a mediano |
Material | Madera , hierro , acero |
Móvil | No |
Esfuerzo de diseño | Bajo |
Se requiere trabajo en falso | sí |
Desarrollo
Los primeros puentes de América del Norte estaban hechos de madera, que era abundante y más barata que la piedra o la mampostería. Los primeros puentes de madera solían tener el diseño de celosía de Towne o de celosía Burr . Algunos puentes posteriores fueron cerchas McCallum (una modificación de la cercha Burr). Alrededor de 1840, se agregaron varillas de hierro a los puentes de madera. La cercha Pratt utilizó miembros verticales de madera comprimidos con tirantes diagonales de hierro. La armadura de Howe utilizó postes verticales de hierro con tirantes diagonales de madera. Ambas cerchas usaban contrarriostramiento, que se estaba volviendo esencial ahora que los trenes de ferrocarril pesados usaban puentes. [1]
En 1830, Stephen Harriman Long recibió una patente para un puente de celosía de cuerdas paralelas de madera. El puente de Long contenía tirantes diagonales que estaban pretensados con cuñas. La celosía larga no requería una conexión entre la diagonal y la celosía, y podía permanecer comprimida incluso cuando la madera se contraía un poco. [2]
William Howe era un contratista de construcción en Massachusetts cuando patentó el diseño de truss de Howe en 1840. [3] Ese mismo año, estableció Howe Bridge Works para construir puentes usando su diseño. [4] La primera armadura de Howe jamás construida fue un puente de un solo carril y 75 pies (23 m) de largo en Connecticut que llevaba una carretera. [1] El segundo fue un puente de ferrocarril sobre el río Connecticut en Springfield, Massachusetts . Este puente, que atrajo gran cantidad de elogios y atención, [3] tenía siete vanos y 180 pies (55 m) de largo. [1] Ambos puentes fueron erigidos en 1840. [3] [1] Uno de los trabajadores de Howe, Amasa Stone , compró por $ 40,000 [5] ($ 1,024,400 en dólares de 2019) en 1842 los derechos del diseño del puente patentado por Howe. Con su patrocinador financiero, Azariah Boody, Stone formó la empresa de construcción de puentes de Boody, Stone & Co., [6] que erigió una gran cantidad de puentes de armadura Howe en toda Nueva Inglaterra . [5] Howe hizo mejoras adicionales a su puente y patentó un segundo diseño de armadura de Howe en 1846. [7]
Diseño de puentes
El puente de celosía Howe consta de una "cuerda" superior e inferior, [a] cada cuerda consta de dos vigas paralelas y cada cuerda paralela entre sí. La red [b] consta de verticales, tirantes y contrafuertes. Los postes verticales conectan los cordones superior e inferior entre sí y crean "paneles". Una riostra diagonal en cada panel refuerza el puente, y una contra riostra diagonal en cada panel mejora esta resistencia. [10] Los puentes de celosía de Howe pueden ser todos de madera, una combinación de madera y hierro, o completamente de hierro. [11] Cualquiera que sea el diseño que se utilice, las vigas de madera deben tener extremos cuadrados sin mortaja ni espigas . [12] El diseño de una armadura Howe totalmente metálica sigue al de la armadura de madera. [1]
El braguero
Los paralelos en cada cuerda generalmente se construyen a partir de vigas más pequeñas, cada viga pequeña sujeta entre sí para crear una viga continua. [13] En las cerchas Howe de madera, estas vigas delgadas no suelen tener más de 10 a 15 pulgadas (250 a 380 mm) de ancho y 6 a 8 pulgadas (150 a 200 mm) de profundidad. [1] En cerchas de hierro, las vigas de la cuerda superior tienen la misma longitud que el panel. Las vigas de la cuerda superior suelen estar hechas de hierro fundido , mientras que las vigas de la cuerda inferior son de hierro forjado . [1] Se utiliza un mínimo de tres vigas pequeñas, [14] cada una uniforme en ancho y profundidad. [13] Las eclisas se utilizan normalmente para unir vigas. [14] (Las vigas de cuerda inferior pueden tener ojales en cada extremo, en cuyo caso se sujetan con pernos, pasadores o remaches ). [1] En las armaduras de madera, se usan chavetas y pernos de hierro cada 4 pies (1.2 m) para conectar las vigas del cordón superior entre sí. [1] [c] En la cuerda inferior de un puente de madera, se utilizan abrazaderas para unir las vigas. [1]
Aunque generalmente tienen la misma longitud, [12] las vigas se colocan de manera que un empalme (el punto donde se juntan dos vigas) está cerca del punto donde se juntan dos paneles [14] pero no adyacente al empalme en un par adyacente de vigas. [13] [14]
Las pequeñas vigas individuales que forman un paralelo en una cuerda están separadas a lo largo de su lado largo por un espacio igual al diámetro de los postes verticales, [13] generalmente alrededor de 1 pulgada (25 mm). [1] Esto permite que los postes verticales pasen a través del paralelo en la cuerda. [13] Las placas de listón [d] se colocan en diagonal entre los miembros de un cordón y se clavan en su lugar para reducir la flexión y actuar como calzas para proporcionar ventilación entre los elementos del cordón. [dieciséis]
El tercio medio del cordón inferior siempre está reforzado por una o más vigas atornilladas al cordón. Este refuerzo es generalmente un sexto del ancho de la sección transversal del cordón inferior. [17] Si una cuerda de madera necesita ser reforzada aún más, se pueden atornillar vigas delgadas adicionales al tercio medio de cada lado de la cuerda inferior. [12] Cuando la construcción esté completa, la cuerda superior de un puente de celosía Howe estará en compresión , mientras que la cuerda inferior estará en tensión . [13]
La web
Los postes verticales conectan los cordones superior e inferior y dividen la armadura en paneles. [13] El truss Howe generalmente usa verticales de hierro o acero. [18] Estos son rectos y redondos, [1] ligeramente reducidos en circunferencia en los extremos, y se les ha agregado una rosca . [18] La vertical generalmente pasa por el centro del bloque de ángulo [1] y luego por el espacio que queda en la cuerda superior e inferior. [14] Se usa una tuerca para asegurar el poste vertical a la cuerda. Se utilizan placas o arandelas especiales de madera o metal para ayudar a distribuir la tensión inducida por el poste vertical sobre los cordones. [18] [1] [e] Los postes verticales están en tensión, [13] que se induce al apretar las tuercas en las barras verticales. [19]
Los tirantes son vigas diagonales que conectan la parte inferior de un poste vertical con la parte superior del siguiente poste vertical. [13] Se colocan en el mismo plano que la cuerda. [14] A diferencia de los tirantes de hierro o acero que se construyen, los tirantes de madera se cortan a medida. [1] Cuando el paralelo en una cuerda tiene un espesor de X número de vigas, cada riostra debe tener un espesor de X menos 1 vigas. [13] [f] La relación entre la profundidad y el ancho de cada miembro de una riostra diagonal no debe ser mayor que la de la riostra en su conjunto. [16] Los tirantes pueden ser de una sola pieza o varias piezas empalmadas con una placa de pescado. [14] Los tirantes están en compresión [13] debido al apriete de las tuercas en las verticales. [19] [2]
Los contrafuertes son vigas diagonales que conectan la parte inferior de un poste vertical con la parte superior del siguiente poste vertical y corren aproximadamente perpendiculares a los tirantes. [13] Se colocan en el mismo plano que la cuerda, [14] son generalmente de tamaño uniforme, [17] y deben tener un grosor de una viga menos que una riostra. [13] A diferencia de los tirantes, los contrafuertes son de una sola pieza. [14] En términos generales, un puente de seis paneles o menos (aproximadamente 75 pies (23 m) de largo) no necesita refuerzos. Un truss de ocho paneles requiere contrafuerzos en todos los paneles, excepto en los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos un cuarto de la resistencia de los tirantes. Una celosía de 10 paneles requiere refuerzos en todos los paneles, excepto en los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos la mitad de fuertes que los refuerzos. Un puente de celosía Howe puede fortalecerse para lograr una carga viva de carga muerta proporción de 2 a 1. Si esta relación es de 2 a 1 o mayor, entonces un truss de seis paneles debe tener contrafuerzos y estos deben tener al menos un tercio de la fuerza de los tirantes. Las contrafuerzas en un truss de ocho paneles deben ser al menos dos tercios de la fuerza de las tirantes, y las contrafuerzas en una truss de 10 paneles deben tener al menos la misma resistencia que las tirantes. [12] Si se esperan cargas vivas que se mueven rápidamente de cualquier proporción en la armadura Howe, las contrafuerzas utilizadas en el panel central deben tener la misma resistencia que las abrazaderas, y el panel al lado del panel del extremo debe tener contrarriostras en menos la mitad de fuerte que los frenillos. [17]
Donde se unen los refuerzos diagonales y los refuerzos, generalmente se atornillan entre sí. [14]
Los tirantes y contrafuertes se mantienen en su lugar con bloques angulares. [13] Los bloques angulares tienen una sección transversal triangular [13] y deben tener la misma altura [13] y ancho que el paralelo de la cuerda. [1] Los bloques angulares pueden estar hechos de madera o hierro, [13] aunque el hierro generalmente se usa para estructuras permanentes. [12] Los bloques de ángulos se unen al revés al acorde superior y el lado derecho hacia arriba al acorde inferior. [1] Los bloques en ángulo tienen orejetas: bridas o proyecciones que se usan para transportar, asentar o sostener algo. [15] Los extremos de los tirantes y contrafuertes deben cortarse o moldearse para que descansen directamente contra el bloque de ángulo. [10] [1] La orejeta superior puede ser una sola brida que encaja en una ranura cortada en la superficie de la diagonal, [1] o puede haber de dos a cuatro orejetas que forman una abertura en la cual la riostra y la contra riostra están sentados. Las diagonales se mantienen en su lugar apretando las tuercas en los postes verticales. [12] Los tacos se pueden clavar a un bloque de madera en ángulo para ayudar a mantener los tirantes y contrafuertes asentados. Alternativamente, se puede perforar un orificio en la orejeta y la riostra / contrafuerza y se puede insertar una clavija para mantener la viga en su lugar. [12] [g] Los bloques angulares de hierro deben tener un agujero en las orejetas superiores para que un perno pueda pasar a través de la orejeta y la riostra / contrafuerza, asegurando las riostras en su lugar. [14] Las orejetas inferiores en un bloque de ángulo también tienen agujeros en ellas, para permitir que el bloque de ángulo se atornille a la cuerda. [14] Se hacen dos o más agujeros a través del centro del bloque de ángulo, para permitir que los postes verticales pasen y se anclen en el otro lado de la cuerda. [1]
Los paneles finales son los cuatro paneles a cada lado del extremo de un puente de armadura Howe. Estos deben tener la misma altura que los acordes, pero no más. [12] La cuerda superior no se extiende más allá del portal [17] (el espacio formado por los últimos cuatro postes verticales en cada extremo del puente). [20] Los paneles de los extremos solo necesitan una riostra, conectada desde la parte superior del último poste vertical hasta el final del cordón inferior. [17]
Los puntales se utilizan para conectar los dos paralelos de los cordones para evitar la flexión lateral y reducir la vibración. Se utilizan dos diagonales que se conectan a la parte superior de los postes verticales. Una de las diagonales debe ser de una sola pieza, mientras que la otra está enmarcada en la primera pieza o formada por dos piezas conectadas a ella. [21] Los tirantes en X, [h] generalmente hechos de varillas de metal delgadas con extremos roscados, se instalan entre los postes verticales para ayudar a reducir el balanceo . [14] Las rodilleras, [i] , generalmente barras planas con ojales en cada extremo, se utilizan para conectar el último puntal y los últimos postes verticales en ambos extremos del puente. [14]
Los paneles individuales pueden prefabricarse fuera del sitio. [11] Cuando los paneles se conectan entre sí en el sitio, se utilizan calzas para empacar los espacios y se atornillan en su lugar. [16] [j]
La cubierta
Las vigas del piso se extienden entre los paralelos de una cuerda y se utilizan para soportar los largueros y la plataforma. Las vigas del piso pueden asentarse sobre la cuerda debajo de ellas, o pueden colgarse de los postes verticales. Las vigas de piso generalmente tienen la mayor profundidad de cualquier viga en el puente. Las vigas del piso generalmente se colocan donde se unen dos paneles. Si se colocan en algún lugar en el medio del panel, la cuerda debe reforzarse para resistir la flexión , el pandeo y el esfuerzo cortante . [18]
Los largueros son vigas colocadas sobre las vigas del piso, paralelas a las cuerdas. Un larguero puede tener una relación de profundidad a ancho de 2 a 1 a 6 a 1. Se evita una relación superior a 6 a 1 para evitar pandeo. En la práctica, la mayoría de los largueros de madera tienen un ancho de 410 mm (16 pulgadas) debido a limitaciones en el fresado. Por lo general, hay seis largueros en un puente. [18]
La construcción de la plataforma para un puente de ferrocarril requiere que un larguero se encuentre directamente debajo de cada riel y que un larguero soporte cada extremo de los durmientes del ferrocarril . Las ataduras suelen tener una sección transversal de 6 x 8 pulgadas (150 x 200 mm) y una longitud de 9 a 12 pies (2,7 a 3,7 m). Se colocan directamente encima de los largueros, a una distancia de aproximadamente 12 pulgadas (300 mm). Las barandillas de protección de 6 por 8 pulgadas (150 por 200 mm) de sección transversal se colocan a 20 pulgadas (510 mm) del centro de las ataduras y se atornillan a una de cada tres ataduras. [18]
Física de un puente de armadura Howe
La armadura interior de una armadura Howe es estáticamente indeterminada . Hay dos caminos para la tensión durante la carga, un par de diagonales en compresión y un par en tensión. Esto le da al truss Howe un nivel de redundancia que le permite soportar cargas excesivas (como la pérdida de un panel debido a una colisión). [23]
El pretensado es fundamental para el correcto funcionamiento de un truss Howe. Las diagonales están conectadas solo de manera suelta a las juntas y dependen del pretensado para funcionar correctamente. Además, las diagonales en tensión solo pueden soportar tensiones por debajo del nivel de pretensado. (El tamaño del miembro no importa debido al ajuste flojo de la diagonal a la junta). El pretensado adecuado durante la construcción es, por lo tanto, crítico para el correcto desempeño del puente. [24]
La tensión máxima se coloca en el centro de los cordones cuando una carga viva alcanza el centro del puente, o cuando la carga viva se extiende a lo largo del puente. Tanto los postes verticales como los tirantes al final del puente sufren la mayor cantidad de tensión. [12]
La tensión que afecta a los contrarriostras depende de la relación entre la carga viva y la carga muerta por unidad de longitud y cómo se distribuye la carga viva a través del puente. Una distribución uniforme de la carga viva no pondrá tensión en los contrarriostras, mientras que poner la carga viva sólo en una parte del puente creará una tensión máxima en los contrarriostras centrales. [12]
Debido a la tensión que se ejerce sobre el puente, el truss Howe es adecuado para tramos de 150 pies (46 m) de longitud o menos. [17] No se hace ninguna provisión en un truss Howe para la expansión o contracción debido a cambios de temperatura. [14]
Puentes de celosía Howe en uso
El truss Howe era muy económico debido a su facilidad de construcción. Las piezas de madera se pueden diseñar usando poco más que un cuadrado de acero y un punzón , y la armadura se puede enmarcar usando solo una azuela , una barrena y una sierra . [1] Los paneles podrían prefabricarse y transportarse al sitio de construcción y, a veces, incluso armaduras enteras podrían fabricarse y ensamblarse fuera del sitio y transportarse por ferrocarril a la ubicación prevista. [11] Se requiere algún tipo de cimbra , generalmente en forma de caballete , para erigir el puente. [21]
El desarrollo de las cerchas Pratt y Howe impulsó la construcción de puentes de hierro en los Estados Unidos. Hasta 1850, pocos puentes de hierro en el país tenían más de 50 pies (15 m). El diseño simple, la facilidad de fabricación y la facilidad de construcción de las armaduras de Pratt y Howe impulsaron a Benjamin Henry Latrobe II , ingeniero jefe del ferrocarril de Baltimore y Ohio , a construir una gran cantidad de puentes de hierro. Después de dos famosos derrumbes de puentes de hierro (uno en los Estados Unidos y el otro en el Reino Unido ), pocos de ellos se construyeron en el norte . Esto significaba que la mayoría de los puentes de hierro erigidos antes de la Guerra Civil estadounidense estaban ubicados en el sur . Alrededor de 1867, se produjo un aumento en la construcción de puentes de hierro en todo Estados Unidos. Los diseños más utilizados fueron el truss Howe, el truss Pratt, el truss Bollman , el truss Fink y el truss Warren . [1] [k] Las cerchas Howe y Pratt gozaron de aceptación porque usaban muchos menos miembros. [28]
El único mantenimiento que requiere un truss Howe es el ajuste de las tuercas en los postes verticales para igualar la tensión. [1] Las diagonales en un truss de madera Pratt resultaron difíciles de mantener en el ajuste adecuado, por lo que el truss Howe se convirtió en el diseño preferido para un puente de madera [1] o para un puente "de transición" de madera con verticales de hierro. [2] El profesor de ingeniería Horace R. Thayer, escribiendo en 1913, consideraba que la armadura de Howe era la mejor forma de puente de armadura de madera, y creía que era el puente de armadura más utilizado en los Estados Unidos en ese momento. [29]
Las armaduras Howe totalmente de hierro comenzaron a construirse alrededor de 1845. [2] Los ejemplos incluyen una armadura Howe de hierro de 50 pies (15 m) de largo que se construyó para el ferrocarril de Boston y Providence [2] [30] y una armadura Howe de 30 pies (9.1 m) largo puente ferroviario sobre el canal Ohio y Erie en Cleveland. [31] [32]
El hierro, sin embargo, fue el puente preferido para las carreteras de automóviles y ferrocarriles, y la armadura de Howe no se adaptó bien a la construcción totalmente de hierro. [1] El único sistema de arriostramiento diagonal de la cercha Pratt significó un menor costo, y su capacidad para usar largueros de hierro forjado debajo de los rieles y traviesas del ferrocarril, llevó a los constructores de puentes a favorecer al Pratt sobre el Howe. [28] [l] Cargas vivas más pesadas, particularmente por ferrocarriles, llevaron a los constructores de puentes a favorecer los puentes de viga de placa y los puentes de celosía Towne para vanos menores de 60 pies (18 m), y los puentes de viga Warren para todos los demás vanos. [28]
Uso en arquitectura
Las cerchas se han utilizado ampliamente en arquitectura desde la antigüedad. [33] La cercha Howe se usa ampliamente en edificios de madera, particularmente para proporcionar soporte de techo. [34]
Referencias
- Notas
- ^ Los cordones son la parte principal del truss y deben resistir la combadura. [8]
- ^ La web son aquellos miembros que conectan los acordes. [9]
- ^ Según la publicación industrial Engineering News de 1879, se corta un canal de 13 mm (0,5 pulgadas) de profundidad en las vigas y luego se inserta una chaveta de 51 mm (2 pulgadas) de ancho en el canal y se aprieta. [1]
- ^ Las placas de listón son piezas simples de placa de hierro o acero que normalmente se utilizan para unir dos piezas, o se unen a las bridas de las vigas en I o en C para endurecerlas. [15]
- ^ En los casos en que las vigas del cordón inferior tienen ojos en los extremos y se usa un perno o remache para conectar las vigas, el extremo del poste vertical puede ser un gancho en lugar de una rosca y pasar alrededor del perno o remache. [1]
- ^ Por ejemplo, si una cuerda paralela está formada por cuatro vigas, la diagonal debe estar formada por tres vigas.
- ^ El Cuerpo de Ingenieros del Ejército dice que los tirantes pueden estar ligeramente sueltos mientras están sentados en las orejetas. [12]
- ^ Una riostra en X es cualquier forma de riostra en la que se cruzan dos diagonales. [15]
- ^ Una rodillera es una abrazadera corta que conecta diagonalmente la vertical a un puntal superior. [22]
- ^ Las cerchas Howe son fáciles de pretensar. Esto significa que los paneles no necesitan una unión completa entre sí, ya que las fuerzas de compresión reducen la necesidad de contrarrestar las fuerzas de tensión. [11]
- ↑ La celosía Warren se desarrolló en 1848, [25] la celosía Bollman en 1852, [26] y la celosía Fink en 1854. [27]
- ^ Posteriormente, se mejoró el truss Pratt con un sistema de doble alma. Estas versiones se suelen llamar trusses Linville, Murphy o Whipple. [1]
- Citas
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