Equilibrio Mecánico

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EQUILIBRIO MECANICO DE LOS PUENTES

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Física aplicada en la realidad: Los Puentes

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EQUILIBRIO MECANICO DE LOS PUENTES

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JUSTIFICACION

La FISICA esta presente en la vida cotidiana, una de sus aplicaciones más comunes y a simple vista, o mas fáciles de apreciar son los PUENTES, estructuras de vital importancia en la sociedad, que requieren de todos los conocimientos que la FISICA ofrece, para poder construirlos y minimizar las deformaciones a las que están expuestos (fenómenos de la naturaleza y/o esfuerzos internos).

El presente trabajo se centrará en el estudio de una parte de la FISICA, más específicamente la ESTATICA, equilibrio y fuerzas mecánicas; y su aplicación en los PUENTES.

En una primera parte se explicaran los conceptos de Equilibrio y Fuerzas Mecánicas, también la definición de Puentes; posteriormente se analizarán como los primeros intervienen en los puentes.

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ESTATICA

El estudio del equilibrio de los cuerpos bajo la acción de un sistema de fuerzas es el objeto de estudio de la estática, que es una parte de la física de importancia en aspectos como la determinación de la estabilidad de una construcción metálica, el diseño de un puente colgante o el cálculo de cualquier estructura de una obra civil.

EQUILIBRIO MECÁNICO

El equilibrio mecánico es un estado estacionario en el que se cumple alguna de estas dos condiciones:

Un sistema está en equilibrio mecánico cuando la suma de fuerzas y momentos sobre cada partícula del sistema es cero.

Un sistema está en equilibrio mecánico si su posición en el espacio de configuración es un punto en el que el gradiente de energía potencial es cero.

Como consecuencia de las leyes de la mecánica, una partícula en equilibrio no sufre aceleración lineal ni de rotación, pero puede estar moviéndose a velocidad uniforme o rotar a velocidad angular uniforme. Esto es ampliable a un sólido rígido.

Condición necesaria de equilibrio

Las ecuaciones necesarias de equilibrio mecánico son:

-Una partícula o un sólido rígido está en equilibrio de traslación cuando: la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo es cero.

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En el espacio se tienen tres ecuaciones de fuerzas, una por dimensión; descomponiendo cada fuerza en sus coordenadas resulta:

Y como un vector, es cero, cuando cada una de sus componentes es cero, se tiene:

1.

2.

3.

Un sólido rígido está en equilibrio de traslación cuando la suma de las componentes de las fuerzas que actúan sobre él es cero.

-Un sólido rígido está en equilibrio de rotación, si la suma de momentos sobre el cuerpo es cero.

En el espacio tiene las tres ecuaciones una por dimensión; por un razonamiento similar al de las fuerzas:

Resultando:

1.

2.

3.

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Un sólido rígido está en equilibrio de rotación cuando la suma de las componentes de los momentos que actúan sobre él es cero.

Un sólido rígido está en equilibrio si está en equilibrio de traslación y de rotación.Se distingue un tipo particular de equilibrio mecánico llamado equilibrio estático que correspondería a una situación en que el cuerpo está en reposo, con velocidad cero: una hoja de papel sobre un escritorio estará en equilibrio mecánico y estático, un paracaidista cayendo a velocidad constante, dada por la velocidad límite estaría en equilibrio mecánico pero no estático.

CARGAS Y ESFUERZOS

Carga: La carga de una estructura son las fuerzas que ésta debe soportar. La primera carga que soporta cualquier estructura es su propio peso, pero además, deben resistir otras cargas como por ejemplo:

Los objetos que están sobre ellas o en su interior (mesa, silla, recipiente…) La presión de un líquido o un gas (puente, presas, edificio…) La fuerza del viento, lluvia, nieve… Y si la estructura está en movimiento, también deberá soportar las fuerzas

de inercia, que aparecen en ella cuando se acelera o se frena.

Estas cargas se pueden clasificar en:

Cargas muertas, también llamadas estáticas: Son aquellas que siempre están presente en la estructura: su propio peso o elementos de su equipamiento fijo.

Cargas vivas, también llamadas dinámicas: son aquellas que no intervienen siempre: el viento, la lluvia, un movimiento sísmico…

Las estructuras transmiten al suelo todas las cargas que ella recibe, por lo tanto el suelo es el que recoge y absorbe todas las acciones.

Esfuerzo: Es la acción de las cargas, fuerzas o pesos sobre las estructuras. Es decir, es el resultado o consecuencia de aplicar una carga, fuerza o peso a una estructura.

Se manifiestan internamente y tienden a deformarla. Su comportamiento depende tanto de los materiales que la forman como de las uniones entre ellos.

Se clasifican en función de la deformación que ejercen las cargas sobre el elemento que actúan.

Esfuerzo de tracción (tensión): Esfuerzo que se produce cuando las fuerzas, cargas o pesos tienden a alargar o estirar al cuerpo o estructura.El material que lo soporta tiende a volver a la longitud inicial al cesar la carga.

Esta deformación, no siempre perceptible, depende de la elasticidad del material.

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Ej.: El producido al estirar una cinta del pelo o un muelle por sus extremos.

Esfuerzo de compresión: Esfuerzo que se produce cuando las fuerzas, cargas o pesos tienden a comprimir, aplastar o acortar (reducir) el cuerpo o estructura. Ej.: El producido al apretar una esponja por sus extremos.

Esfuerzo de flexión: Esfuerzo que se produce cuando las fuerzas, cargas o pesos tienden a doblar o curvar el cuerpo o estructura.Ej.: El producido al pasar un camión por un puente.

Esfuerzo de torsión: Esfuerzo que se produce cuando las fuerzas, cargas o pesos tienden a retorcer al cuerpo o estructura.Ej.: El producido al retorcer una esponja.Todos los ejes los soportan.

Esfuerzo de cizalladura o de corte: Esfuerzo que se produce cuando las fuerzas, cargas o pesos tienden hacer que una parte del cuerpo se deslice o resbale sobre la otra.Ej.: El producido al cortar un cartón con las tijeras.

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FUERZAS: La fuerza es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas (en lenguaje de la física de partículas se habla de interacción). Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales.

Peso: El peso es la fuerza con la cual un cuerpo actúa sobre un punto de apoyo, originado por la aceleración de la gravedad, cuando esta actúa sobre la masa del cuerpo. Al ser una fuerza, el peso es en sí mismo una cantidad vectorial, de modo que está caracterizado por su magnitud y dirección, aplicado en el centro de gravedad del cuerpo y dirigido aproximadamente hacia el centro de la Tierra. Por extensión de esta definición, también podemos referirnos al peso de un cuerpo en cualquier otro astro.

Gravedad: La gravedad origina la aceleración que experimenta un objeto en las cercanías de un objeto astronómico. También se denomina interacción gravitatoria o gravitación.

Por efecto de la gravedad tenemos la sensación de peso. En la superficie de la Tierra, la aceleración de la gravedad es aproximadamente 9,81 m/s2.

Fuerza Normal: La fuerza normal (o N) se define como la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo apoyado sobre la misma. Ésta es de igual magnitud pero de dirección contraria a la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la superficie.

Cuando un cuerpo está apoyado sobre una superficie, ejerce una fuerza sobre ella cuya dirección es perpendicular a la superficie. De acuerdo con la tercera ley de Newton o "Principio de acción y reacción", la superficie debe ejercer sobre el cuerpo una fuerza de la misma magnitud y dirección, pero de dirección contraria.

En general, la magnitud o módulo de la fuerza normal es la proyección de la fuerza resultante sobre cuerpo. Cuando la fuerza actuante es el peso, y la superficie es un plano inclinado que forma un ángulo con la horizontal, la fuerza normal seα encuentra multiplicando la masa por g, la gravedad.

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PUENTES

Un puente es una construcción que permite salvar un accidente geográfico o cualquier otro obstáculo físico como un río, un cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua, o cualquier otro obstáculo. El diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la naturaleza del terreno sobre el que el puente es construido.Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, existen numerosos tipos de diseños influidos por los materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones económicas, entre otros factores.

TIPOS DE PUENTES

PUENTE VIGA

En este tipo de puentes, el vano esta soportado por vigas, que pueden tomar la forma de “I”, de caja hueca, entre otras. Estructuralmente es el más simple de todos. En su construcción pueden emplearse madera, acero u hormigón (armado, pretensado o pos tensado).La zona inferior trabaja a tracción, y a compresión la superior, soportando esfuerzos de flexión.

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PUENTE EN MENSULA

Es un puente en el cual una o más vigas principales trabaja como ménsulas o voladizos. Son grandes estructuras que se construyen por la técnica de volados sucesivos, mediante ménsulas consecutivas que se proyectan en el espacio a partir de una previa; estas estructuras son retículas de acero o vigas tipo cajón de hormigón pos tensado.

PUENTE EN 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. 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.

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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. Este tipo de puentes son capaces en la actualidad de soportar el tráfico rodado e incluso líneas de ferrocarril ligeras.

PUENTE ATIRANTADO

Es aquel cuyo tablero está suspendido de uno o varios pilones centrales mediante obenques (cables que sujetan al tablero y se sostienen en los pilones). Se distingue de los puentes colgantes porque en éstos los cables tirantes se sujetan directamente a los pilones; los puentes atirantados tienen partes que trabajan a tracción y otras a compresión. También hay variantes de estos puentes en que los tirantes van desde el tablero al pilar situado a un lado, y de ahí al suelo, o bien están unidos a un único pilar.

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PUENTE COLGANTE

Reseña Histórica

El diseño actual de los puentes colgantes fue desarrollado a principios del siglo XIX. Los primeros ejemplos incluyen los puentes de Menai (1826) y Cowny en el Norte del País de Gales y el primer puente Hammersmith (1827) en la zona Oeste de Londres. Desde entonces numerosos puentes colgantes han sido construidos a lo largo de todo el mundo. Esta tipología de puente es prácticamente la única solución posible para salvar grandes distancias (superiores a un kilómetro), o cuando sea peligroso para el tráfico marítimo añadir apoyos centrales temporales o permanentes, o si no es viable, añadir apoyos centrales. En la actualidad, el puente de mayor vano es el Gran Puente de Akashi Kaikyō, en Japón, y mide casi dos kilómetros.

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Elementos de un Puente Colgante

En los puente colgantes, la estructura resistente básica está formada por los cables principales, que se fijan en los extremos del vano a salvar, y tienen la flecha necesaria para soportar mediante un mecanismo de tracción pura, las cargas que actúan sobre él.

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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 opuesto del puente de piedra.

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.

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 el tablero son verticales.

INTERVENCION DE LAS FUERZAS EN UN PUENTE tipo Colgante

Fuerzas de Tracción – Cables Principales y TensoresEsfuerzo sometido por la aplicación de dos fuerzas en sentido opuesto, tienden a estirar un cuerpo.

Fuerzas de Compresión - PilaresResultante de las presiones que existen dentro de un solido deformable, tienden a comprimir el cuerpo en el sentido de la fuerza

Fuerzas Gravitatorias – Toda la EstructuraSon las Cargas Vivas y el propio peso que soporta el Puente.

Fuerzas Cortantes – Anclajes de los CablesEs la Tensión de corte que actual en los Anclajes al suelo de los Cables principales.

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BIBLIOGRAFIA

AGUILÓ, Miguel. Forma y Tipo en el Arte de Construir Puentes. Madrid. ABADA EDITORES S.L. 2008.

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http://books.google.com.pe/books?id=UUnQer8KYGMC&printsec=frontcover&dq=ingenieria+mecanica&source=bl&ots=hWmw_fM-WW&sig=sDEyHmdOZMTCAhzZTulK_0mqOgI&hl=es&sa=X&ei=jI1uUO7IHYim8ASdy4D4Cg&redir_esc=y (acceso Octubre 5,2012)

VALLECILLA BAHENA, Carlos Ramiro. Estática para Ingenieros Civiles. Bogotá. Universidad Santo Tomas Consejo Departamento de Comunicaciones Editorial y Publicaciones.2004 http://books.google.com.pe/books?id=aSjli2GjY1sC&pg=PA5&lpg=PA5&dq=construccion+civil&source=bl&ots=ma_3yiOdWa&sig=fcvjOCC_cL3QT5SSzf1v8ONbZRQ&hl=es&sa=X&ei=CpduUOChAonk9ASy64GgDA&redir_esc=y#v=onepage&q=construccion%20civil&f=false (acceso Octubre, 2012)