ESTUDIO DE VIABILIDAD DE
ESTRUCTURAS DE MADERA
PARA INFRAESTRUCTURAS DE
TRANSPORTE
Trabajo realizado por:
Fanny Carmen Lulichac Sáenz
Dirigido por:
Javier Pablo Ainchil Lavin
Gonzalo Ramos Schneider
Máster en:
Ingeniería Estructural y de la Construcción
Barcelona, octubre del 2020
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
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DEDICATORIA
A mi madre Elvira, por haberme demostrado
con hechos el sacrificio de trabajar duro y que
con mucho esfuerzo se puede alcanzar todo lo
que nos proponemos.
A mi padre Alindor, por estar siempre
pendiente de mí y mi carrera profesional, por
su apoyo incondicional y porque cada día me
anima a seguir superándome.
A mi querido hermano Alexis, quien se ha
convertido en un ejemplo a seguir.
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AGRADECIMIENTOS
Primeramente, a Dios, por darme la fortaleza e
iluminarme para seguir adelante y haberme
permitido llegar hasta este punto de la vida.
A mis tutores, Javier Ainchil y Gonzalo Ramos,
por darme acogida en este proyecto de
investigación, por compartirme sus
conocimientos y apoyarme en los momentos
que más necesitaba. Gracias por su
colaboración, crítica y paciencia brindada.
Finalmente quisiera agradecer a todas las
personas que han sido parte de mi vida y que
han aportado en mi crecimiento personal y
profesional
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CONTENIDO
DEDICATORIA ................................................................................................................................ i
AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................................... ii
INDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................... vi
INDICE DE TABLAS ........................................................................................................................ ix
RESUMEN .................................................................................................................................... xi
ABSTRACT ................................................................................................................................... xii
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN .........................................................................................................1
1.1. Objetivos y alcance ................................................................................................................. 1
1.1.1. Objetivo principal ........................................................................................................... 1
1.1.2. Objetivos específicos ...................................................................................................... 1
1.1.3. Alcance ............................................................................................................................ 1
1.2. Metodología de la investigación ............................................................................................ 1
1.3. Estructura del trabajo ............................................................................................................. 2
1.4. Definiciones ............................................................................................................................ 2
1.5. Normativa ............................................................................................................................... 6
CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE......................................................................................................7
2.1. Antecedentes históricos ......................................................................................................... 7
2.1.1. Evolución de elaboración de la madera ....................................................................... 10
2.2. Tipos de madera ................................................................................................................... 11
2.2.1. Madera maciza .............................................................................................................. 11
2.2.2. Madera laminada encolada .......................................................................................... 11
2.3. Clasificación de la madera .................................................................................................... 11
2.3.1. Clasificación de la resistencia a partir de la calidad arbórea ...................................... 11
2.3.2. Propiedades de la madera laminada encolada............................................................ 13
2.3.3. Factores que pueden afectar el comportamiento estructural de la madera ............. 15
2.4. Durabilidad............................................................................................................................ 16
2.4.1. Introducción ...................................................................................................................... 16
2.4.2. Protección de la madera ................................................................................................... 17
2.5. Tipologías de puentes de madera ........................................................................................ 22
2.5.1. Puentes con sistema estructural de placas .................................................................. 22
2.5.2. Sistemas estructurales de barras ................................................................................. 23
2.5.3. Sistema en arco ............................................................................................................. 23
CAPÍTULO 3. ESTUDIO DE CASO REAL .......................................................................................... 25
3.1. Descripción del puente en estudio ....................................................................................... 25
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3.2. Alternativas para un puente de madera .............................................................................. 25
3.2.1. Alternativa 1. Puente arco con tablero superior ......................................................... 26
3.2.2. Alternativa 2: Puente arco con tablero intermedio .................................................... 26
3.2.3. Alternativa 3: Puente arco con tablero inferior........................................................... 27
3.3. Condicionantes ..................................................................................................................... 27
3.3.1. Condicionantes geométricos ........................................................................................ 27
3.4. Alternativa seleccionada ...................................................................................................... 28
3.5. Descripción de la solución adoptada ................................................................................... 28
3.6. Respuesta estructural ........................................................................................................... 28
CAPÍTULO 4. PUENTE DE MADERA ............................................................................................... 32
4.1. Geometría de la estructura .................................................................................................. 32
4.2. Modelo estructural ............................................................................................................... 33
4.3. Materiales ............................................................................................................................. 35
4.4. Acciones a considerar ........................................................................................................... 35
4.4.1. Acciones permanentes ................................................................................................. 35
4.4.2. Acciones variables ........................................................................................................ 36
4.4.3. Viento ............................................................................................................................ 38
4.4.4. Acción térmica .............................................................................................................. 46
4.4.5. Acciones accidentales (A) ............................................................................................. 46
4.5. Combinación de las acciones ................................................................................................ 47
4.5.2. Combinación en estado límite último (ELU) ................................................................ 48
4.5.3. Combinación en estado límite de servicio (ELS) .......................................................... 48
4.6. Comprobaciones ................................................................................................................... 49
4.6.1. Estado límite último (ELU) ............................................................................................ 49
4.6.2. Estado límite de servicio (ELS) ...................................................................................... 51
CAPÍTULO 5. RESULTADOS ........................................................................................................... 52
5.1. Combinación en ELU ............................................................................................................. 52
Envolvente ELU ................................................................................................................................. 69
Axial ................................................................................................................................................... 70
Cortante ............................................................................................................................................ 71
Momento .......................................................................................................................................... 72
5.2. Comprobación ELS ................................................................................................................ 73
Deflexión en vigas y arco .................................................................................................................. 73
5.3. Dimensionamiento de viga de madera ................................................................................ 75
CAPÍTULO 6. EMISIONES DE CO2 .................................................................................................. 82
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6.1. Introducción .......................................................................................................................... 82
6.2. La madera y la reducción de CO2 ......................................................................................... 82
6.3. Emisiones de CO2 en madera estructural ............................................................................ 85
6.4. Los productos de madera y su papel en el almacenamiento de CO2 ................................. 85
CAPITULO 7. PRESUPUESTO ......................................................................................................... 88
7.1. Introducción .......................................................................................................................... 88
5.2. Mediciones ............................................................................................................................ 89
5.3. Cuadro de Precios 1 .............................................................................................................. 92
5.4. Cuadro de Precios 2 .............................................................................................................. 93
5.5. Presupuesto .......................................................................................................................... 94
7.8. Ratio .................................................................................................................................... 100
CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE INVESTIGACIÓN .......................................... 102
8.1. Conclusiones ....................................................................................................................... 102
8.2. Futuras líneas de investigación .......................................................................................... 103
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................. 105
ANEJO A. CARGAS ASIGNADAS .................................................................................................. 107
PLANOS..................................................................................................................................... 107
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Dirección de las fibras de la madera respecto a su eje.[2] ......................................3
Figura 2. Placas de madera laminada transversalmente[4] ...................................................4
Figura 3. Placa de madera laminada tensada[4]....................................................................5
Figura 4. Pasarela peatonal en Essing, Alemania (entre los años 1986 – 87)[6] ...................8
Figura 5. Puente ``Cascade Bridge`` del ferrocarril a Erie [6] ................................................9
Figura 6. Evolución de la elaboración de la madera[6] ........................................................ 10
Figura 7. Especies arbóreas procedentes de España[1] ...................................................... 12
Figura 8. Clasificación de la madera según sus especies arbóreas[1] ................................. 12
Figura 9. Normativas de las calidades de madera en diferentes países europeos[1] ........... 12
Figura 10. Propiedades de la madera laminada encolada homogénea según su clase
resistente[1] .......................................................................................................................... 13
Figura 11. Propiedades de la madera clase GL36h[1] ......................................................... 14
Figura 12. Coeficiente parcial de seguridad según el tipo de madera, 𝛾𝑀 [1] ...................... 14
Figura 13. Factores de modificación, 𝑘𝑚𝑜𝑑 [1] .................................................................... 15
Figura 14. Clases de duración de las acciones[1] ................................................................ 15
Figura 15. Nivel de penetración según la clase de uso [1] ................................................... 18
Figura 16. Protección mínima frente a la corrosión, o tipo de acero necesario[1] ................ 21
Figura 17. Puente de acero en estudio en Sant Andreu de la Vola, Cataluña ...................... 25
Figura 18. Alternativa 1. Puente arco con tablero superior[5] .............................................. 26
Figura 19. Alternativa 2: puente arco con tablero intermedio.[5] .......................................... 26
Figura 20. Alternativa 3. Puente Arco con tablero inferior[5] ................................................ 27
Figura 21. Puente arco con tablero inferior y péndolas con 4 luces de 39 metros. .............. 28
Figura 22. Leyes de momentos flectores en un bowstring con péndolas verticales sometido a
sobrecargas asimétricas. [11] ............................................................................................... 29
Figura 23. Péndolas articuladas[12] .................................................................................... 30
Figura 24. Anclaje de péndolas en el arco del puente [12] .................................................. 30
Figura 25. Tipologías de anclajes de cables con extremos articulados [12] ......................... 30
Figura 26. Secciones transversales de los elementos estructurales en cm. ........................ 32
Figura 27. Geometría del puente de madera en metros. .................................................... 33
Figura 28. Vista en 3D del Puente Arco en Madera ............................................................. 33
Figura 29. Definición de los carriles virtuales[15] ................................................................. 36
Figura 30. Ejemplo genérico de la distribución de los carriles. [15] ...................................... 36
Figura 31. Valor característico de la sobrecarga de uso. [15] .............................................. 37
Figura 32. Distribución de vehículos pesados y sobrecarga uniforme. [15] .......................... 37
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Figura 33. Mapa de isotacas para la obtención de la velocidad básica fundamental del viento
𝑉𝑏, 0. [15] ............................................................................................................................. 40
Figura 34. Periodo de retorno para situaciones transitorias. [15] ......................................... 40
Figura 35. Coeficientes según el tipo de entorno. [15] ......................................................... 41
Figura 36. Coeficiente según tipo de entorno. [15] .............................................................. 43
Figura 37. Coeficiente de fuerza 𝐶𝑓 para las secciones más habituales. [15] ...................... 44
Figura 38. Empuje transversal del viento en péndolas......................................................... 45
Figura 39. Empuje transversal del viento en arco ................................................................ 45
Figura 40. Factores de seguridad en Estado Límite Último. [15] .......................................... 47
Figura 41. Factores de seguridad en Estado Límite de Servicio. [15] .................................. 47
Figura 42. Factores de simultaneidad. [15] .......................................................................... 47
Figura 43. Tensiones de cortadura. a) corte paralelo. b) rodadura [1] ................................. 50
Figura 44. Coeficiente 𝛼 en metros para la determinación del ancho efectivo de la viga. [16]
............................................................................................................................................. 50
Figura 45. Ejemplo de la distribución de momentos a flexión en la placa para la determinación
del ancho efectivo. [16]......................................................................................................... 51
Figura 46. Valores límite para deflexiones en vigas, placas y armaduras. [16] .................... 51
Figura 47. Carga de vehículo pesado (2𝑄𝑖𝑘) en el centro luz de la viga longitudinal ........... 53
Figura 48. Sobrecarga uniforme (𝒒𝒊𝒌) en cada tramo del arco ............................................ 53
Figura 49. Fuerza de viento transversal (𝐹𝑤𝑦) en arco y péndolas ..................................... 54
Figura 50. Caso de carga 1 ................................................................................................. 55
Figura 51. Caso de carga 2 ................................................................................................. 56
Figura 52. Caso de carga 3 ................................................................................................. 56
Figura 53. Caso de carga 4 ................................................................................................. 57
Figura 54. Caso de carga 5 ................................................................................................. 57
Figura 55. Caso de carga 6 ................................................................................................. 58
Figura 56. Caso de carga 7 ................................................................................................. 59
Figura 57. Combinación ELU-1 ........................................................................................... 60
Figura 58. Combinación ELU-2 ........................................................................................... 60
Figura 59. Combinación ELU-3 ........................................................................................... 60
Figura 60. Combinación ELU-4 ........................................................................................... 60
Figura 61. Combinación ELU-5 ........................................................................................... 61
Figura 62. Combinación ELU-6 ........................................................................................... 61
Figura 63. Combinación ELU-7 ........................................................................................... 61
Figura 64. Fuerzas axiles en Arco, Péndolas y tablero en ELU-1 ........................................ 62
Figura 65. Fuerza cortante en Arco y Tablero en ELU-1 ...................................................... 63
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Figura 66. Diagrama de momento en Arco y Tablero para ELU-1 ....................................... 64
Figura 67. Valores de los esfuerzos para las combinaciones en ELU1. ............................... 65
Figura 68. Valores de los esfuerzos para las combinaciones en ELU2. ............................... 68
Figura 69. Resultado de envolvente entre ELU 1 y ELU 2. .................................................. 69
Figura 70. Valores de axil máximo y mínimo de la envolvente en ELU ................................ 70
Figura 71. Valores máximo y mínimo de la envolvente en ELU a cortante .......................... 71
Figura 72. Valores de momentos máximo y mínimo de la envolvente en ELU ..................... 72
Figura 73. Valores de la deformación del arco y del tablero ................................................ 73
Figura 74. Vista en 3D de la deformada del puente ............................................................. 74
Figura 75.Esfuerzo máximo a tracción de la péndola .......................................................... 81
Figura 76. El efecto de la fotosíntesis en el crecimiento de los arboles[9] ........................... 83
Figura 77. Equilibrio Global del carbono[9] .......................................................................... 84
Figura 78. Reserva de carbono en la biomasa de madera en los bosques europeos[9] ...... 84
Figura 79. Consumo de energía y emisiones de CO2 aproximadas de una estructura. [18] 85
Figura 80. Diagrama de cálculo de emisiones para el análisis de ciclo de vida.[9] .............. 86
Figura 81. Resumen de las emisiones de C02 de cada material ......................................... 87
Figura 82. Comparativa entre vigas de madera con otros materiales[9] .............................. 87
Figura 83. Presupuesto comparativo por elemento estructural del puente ................... 99
Figura 84. Cuadro resumen de costo frente a emisiones de CO2 para los dos diferentes
puentes .............................................................................................................................. 103
Figura 85. Carga muerta asignada al modelo. ................................................................... 107
Figura 86. Sobrecargas uniforme y puntual asignadas al modelo. ..................................... 107
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Especies arbóreas procedentes de España[1] ........................................................ 12
Tabla 2. Clasificación de la madera según sus especies arbóreas[1] ................................... 12
Tabla 3. Normativas de las calidades de madera en diferentes países europeos[1] ............. 12
Tabla 4. Propiedades de la madera laminada encolada homogénea según su clase
resistente[1] .......................................................................................................................... 13
Tabla 5. Propiedades de la madera clase GL36h[1] ............................................................. 14
Tabla 6. Coeficiente parcial de seguridad según el tipo de madera, 𝛾𝑀 [1] .......................... 14
Tabla 7. Factores de modificación, 𝑘𝑚𝑜𝑑 [1] ........................................................................ 15
Tabla 8. Clases de duración de las acciones[1] .................................................................... 15
Tabla 9. Nivel de penetración según la clase de uso [1] ....................................................... 18
Tabla 10. Protección mínima frente a la corrosión, o tipo de acero necesario[1] .................. 21
Tabla 11. Definición de los carriles virtuales[15] ................................................................... 36
Tabla 12. Valor característico de la sobrecarga de uso. [15] ................................................ 37
Tabla 13. Periodo de retorno para situaciones transitorias. [15] ........................................... 40
Tabla 14. Coeficientes según el tipo de entorno. [15] ........................................................... 41
Tabla 15. Coeficiente según tipo de entorno. [15]................................................................. 43
Tabla 16. Coeficiente de fuerza 𝐶𝑓 para las secciones más habituales. [15] ........................ 44
Tabla 17. Empuje transversal del viento en péndolas ........................................................... 45
Tabla 18. Empuje transversal del viento en arco .................................................................. 45
Tabla 19. Factores de seguridad en Estado Límite Último. [15] ............................................ 47
Tabla 20. Factores de seguridad en Estado Límite de Servicio. [15] .................................... 47
Tabla 21. Factores de simultaneidad. [15] ............................................................................ 47
Tabla 22. Coeficiente 𝛼 en metros para la determinación del ancho efectivo de la viga. [16]50
Tabla 23. Valores límite para deflexiones en vigas, placas y armaduras. [16] ...................... 51
Tabla 24. Valores de los esfuerzos para las combinaciones en ELU1. ................................. 65
Tabla 25. Valores de los esfuerzos para las combinaciones en ELU2. ................................. 68
Tabla 26. Resultado de envolvente entre ELU 1 y ELU 2. .................................................... 69
Tabla 27. Consumo de energía y emisiones de CO2 aproximadas de una estructura. [19] .. 85
Tabla 28. Resumen de las emisiones de C02 de cada material ........................................... 87
Tabla 29. Presupuesto comparativo por elemento estructural del puente ..................... 99
Tabla 30. Cuadro resumen de costo frente a emisiones de CO2 para los dos diferentes
puentes .............................................................................................................................. 103
Tabla 31. Carga muerta asignada al modelo. ..................................................................... 107
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Tabla 32. Sobrecargas uniforme y puntual asignadas al modelo. ....................................... 107
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RESUMEN
Este trabajo desarrolla un estudio aplicado a las modernas infraestructuras de transporte para
el caso específico de un puente arco con tablero inferior vehicular de madera, teniendo en
cuenta las normativas, así como la experiencia real de un puente ya ejecutado en estructura
mixta de acero y hormigón que se encuentra ubicado en Sant Andreu de la Vola, Barcelona.
Para ello se han definido las características geométricas y las propiedades mecánicas de los
elementos estructurales de madera consistente con la normativa de diseño en estructuras de
madera. También se analizaron las tipologías de puentes de madera susceptibles de cumplir
con las características físicas del puente real que se requiere estudiar como modelo, con la
finalidad de adaptarse a las condiciones existentes del puente y a condiciones estructurales y
viables, al objeto de viabilizar y optimizar dicho puente de madera. Se modeló un puente arco
de madera en el programa SAP2000 para optimizar las secciones requeridas de madera que
pueda soportar las cargas estructurales a las que estaría sometido el puente vehicular. A la
vez, se modeló el mismo puente, pero construido con acero para poder hacer las
comparaciones en cuanto a costos y asimismo la cantidad de emisiones a lo largo de su ciclo
de vida con respecto al puente de madera.
Palabras clave: Madera estructural, análisis estructural, emisiones de C02 y costos
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ABSTRACT
This work develops a study applied to modern transport infrastructures for the specific case of
an arch bridge with a wooden vehicular lower deck, taking into account the regulations, as well
as the real experience of a bridge already executed in a mixed steel and concrete structure
which is located in Sant Andreu de la Vola, Barcelona. For this, the geometric characteristics
and mechanical properties of the wooden structural elements have been defined, consistent
with the design regulations for wooden structures. The types of wooden bridges capable of
complying with the physical characteristics of the real bridge that need to be studied as a model
were also analyzed, in order to adapt to the existing conditions of the bridge and to structural
and viable conditions, in order to make viable and optimize said wooden bridge. A wooden
arch bridge was modeled in the SAP2000 program to optimize the required sections of wood
that can withstand the structural loads to which the vehicular bridge would be subjected. At the
same time, the same bridge was modeled, but built with steel to be able to make comparisons
in terms of costs and also the amount of emissions throughout its life cycle with respect to the
wooden bridge.
Keywords: Structural wood, structural analysis, C02 emissions and costs.
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1. Objetivos y alcance
1.1.1. Objetivo principal
Estudiar la viabilidad de los puentes de madera en infraestructuras de transporte,
específicamente en puentes arco con tablero inferior, analizando un caso real de un puente
vehicular ubicado en Sant Andreu de la Vola, Barcelona.
1.1.2. Objetivos específicos
- Evaluar las propiedades físico-mecánicas de la madera estructural, basadas en las
normativas correspondientes.
- Evaluar las tipologías de los puentes arco existentes y adaptarlas al caso real en estudio.
- Optimizar las secciones de los elementos estructurales que conforman el puente como
arco, tablero y péndolas, creando un modelo en el programa SAP2000.
- Comparar las limitaciones y beneficios tanto para un puente de madera y para un puente
en acero, principalmente en costos y emisiones de C02.
1.1.3. Alcance
Este trabajo se limita solamente al estudio de un puente vehicular de madera con una tipología
de arco con tablero inferior, lo cual implica todos los requisitos de seguridad en la estructura
y basados en las normativas correspondientes. Estos requisitos son las propiedades de
resistencia, serviciabilidad y durabilidad.
1.2. Metodología de la investigación
Para lograr los objetivos de este trabajo se ha tenido en cuenta las metodologías basadas en
las siguientes normativas: Diseño de estructural de madera en puentes (EN 1995-2-E-2004)
y Documento básico en seguridad estructural de la madera (DBSE-M, 2019), los cuáles nos
muestran un panorama indicativo de un proceso a seguir en la investigación, y son los
siguientes:
- Bases de diseño
- Propiedades del material
- Durabilidad
- Protección de la madera
- Bases para el análisis estructural
- Estados límite último y de servicio
- Limitaciones por deflexión
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- Conexiones
- Detalles y controles estructurales en el proceso constructivo.
1.3. Estructura del trabajo
La estructura del presente trabajo está organizada de una manera paralela al cumplimiento
de los objetivos específicos, los cuáles se verán en 8 capítulos.
En el Capítulo 2, se presenta un poco sobre los antecedentes históricos de estructuras de
puentes de madera y la evolución de este material estructural a lo largo de los años, las
tipologías de madera y su clasificación, las propiedades de la madera, la durabilidad y los
tipos de puentes estructurales construidos con este material.
El Capítulo 3 describe características geométricas básicas del puente real en estudio que está
ubicado en San Andreu de la Vola, con la finalidad de identificar las condiciones necesarias
para poder adaptarlo a un puente de madera analizando diferentes alternativas y una breve
descripción de la solución escogida.
En el Capítulo 4, se hace un estudio detallado de la solución adoptada del puente de madera
descrito en el capítulo 3, comenzando con la geometría de la estructura, el modelo de la
estructura en el programa SAP2000, las acciones y combinaciones a considerar, y la
verificacion de flechas en cumplimiento con lo exigido por la normativa.
El Capítulo 5, muestra los resultados obtenidos de realizar las mismas condiciones de un
puente según el capítulo 4.
En los Capítulos 6 y 7, se presentan a algunos estudios de emisiones de C02 en la madera y
un presupuesto respectivamente.
Finalmente, en el capítulo 8 se describen las conclusiones finales del presente trabajo desde
tres puntos de vista del análisis estructural, ambiental y económico; además algunas
recomendaciones de futuras investigaciones.
1.4. Definiciones
A continuación, se hace un listado de los diferentes tipos de madera que existen y su definición
de acuerdo al Documento Básico de Seguridad Estructural en Madera
- Madera aserrada: Es una pieza de madera maciza que se obtiene de los árboles de
manera que las caras quedan paralelas entre sí y que además sus cantos quedan
perpendiculares a dichas caras. A esta madera también se le denomina madera
estructural. [1]
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- Madera maciza: La madera maciza se refiere a la misma madera aserrada, pero con
mayor extensión en su denominación; en tal sentido se diferenciará según la clase de uso
frente a agentes bióticos al cual correspondan, por ejemplo: si es madera maciza o
madera laminada encolada, ya que esta última tiene un comportamiento estructural
mejorado.[1]
- En efecto a lo definido anteriormente, se tiene que conocer las direcciones de la fibra de
la madera (figura 1) que son: longitudinal, radial y tangencial, por las que está compuesta
la madera. Según la figura 1 son visiblemente alargadas, pero también presentan cortes
planos y paralelos al eje del tronco del árbol.[1]
Figura 1. Dirección de las fibras de la madera respecto a su eje.[2]
- Lámina de madera: las láminas de madera son capas de madera aserrada superpuestas
una sobre otra y a la que se denomina madera laminada encolada y que sirve como un
elemento estructural. el presente trabajo se realizó con este tipo de madera, en vigas y
arco principalmente. Cada capa superpuesta puede tener la misma clase resistente que
se llamaría madera laminada encolada homogénea o diferentes clases resistentes,
entonces se llamaría madera laminada encolada combinada.[1]
- Madera laminada encolada: La madera laminada encolada se define como un elemento
estructural que estaría conformado por varias láminas de madera de una determinada
clase resistente, hasta conseguir una altura según se requiera por diseño (canto).[1]
- Madera laminada encolada homogénea: es considerado como un elemento estructural
por lo que se ha explicado en láminas de madera y que significan que están compuestas
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por la misma clase resistente. Este tipo de madera es la que se tendrá en cuenta para
este trabajo.[1]
- Madera microlaminada: Existe también la madera microlaminada que vendría a ser una
especie de la madera laminada encolada, pero con espesores más pequeños (entre 3 –
5 mm) y que además están formadas en la misma dirección de la fibra.[1]
- Placas de madera laminada transversalmente: son placas que están compuestas por
láminas superpuestas unas sobre otras al igual que la madera laminada encolada, pero
con la diferencia que éstas superposiciones se dan en diferentes direcciones como se
puede apreciar en la figura 2. Es por ello que recibe el nombre de placas de madera
laminada transversalmente. Cada capa superpuesta puede estar unido no solamente
mediante el encolado sino que también mediante algunos sujetadores mecánicos.[3]
Figura 2. Placas de madera laminada transversalmente[4]
- Contenido de humedad de la madera: la madera presenta naturalmente un pequeño
porcentaje de contenido de humedad en su interior y es calculada respecto de su masa.[1]
- Humedad de equilibrio higroscópico: se denomina humedad de equilibrio higroscópico a
un porcentaje de agua en la madera que no sale al exterior; es decir que no intercambia
vapor de agua con la atmósfera que lo rodea. Por lo tanto ese valor se mantiene en
constante equilibrio con la madera.[1]
- Tablero: el tablero es una pieza de madera que tiene mayor longitud, altura pero que
principalmente predomina su espesor. El tablero normalmente es de uso estructural ya
que presenta según ensayos, mejores propiedades de resistencia y rigidez.[1]
- Placas de madera laminada tensada: es una nueva tecnología que se ha desarrollado
con la madera laminada encolada que tiene uso estructural pero que además de la unión
encolada que las caracteriza también se pueden postensar mediante barras de acero de
manera transversal en la dirección del canto del tablero.[1]
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Figura 3. Placa de madera laminada tensada[4]
La función principal de este tipo de placas tensadas es la de distribuir las fuerzas de las
acciones de los vehículos en el caso de puentes para que puedan trabajar conjuntamente
todos los elementos que soportan dicha carga. Si se habla de puentes, la placa tensada recibe
el nombre de tablero y entonces tiene la función que se menciona y la vez también tiene que
cumplir la función de proteger de que no entre humedad en las barras de tensado ya que
puede verse perjudicado en la madera y afectar en un futuro a la resistencia.[5]
Según un estudio realizado en Suiza en la que se hicieron ensayos con este tipo de placas
tensadas en la que se aplicaron cargas en el centro luz de la placa. El resultado de este
ensayo fue que se transmitía los esfuerzos en cada unión de las barras tensadas, es decir
que en toda la longitud de la madera se transmitía las cargas que luego generaban presión
en las barras de acero. Pospuesto que todo el tablero podría soportar cargas mayores en toda
su superficie. Además en ensayo fue realizado en condiciones óptimas de la madera, en
donde no hubo humedad y más bien por estar muy seca la madera se notó que se tenía una
ligera reducción del volumen de la madera.[6]
El sistema de tensado en puentes genera estabilidad y rigidez cuando se tiene máximas
cargas vehiculares, se tiene beneficios como que se pueden construir mayores luces, no como
en puentes de hormigón ni de acero, pero por lo menos se pueden reducir las flechas, y que
además tendría una mayor durabilidad si tienen desde el inicio un tratamiento de diseño de la
madera. En el caso de las luces del puente, este estudio de suiza también determinó que este
tipo de sistema puede resultar económicamente viable si se tienen luces entre 6 y 12 metros
y para tráfico pesado de hasta 60 toneladas. Sin embargo si se realizan puentes mixtos ya
sea con hormigón o con madera, se pueden llegar a tener puentes de mayores luces.[6]
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1.5. Normativa
A continuación, se relaciona la normativa vigente que se ha empleado para la definición y
comprobación de la estructura:
- Eurocódigo 5: Diseño de estructuras de madera – Parte 2: Puentes.
- Eurocódigo 5: Diseño de estructuras de madera – Parte 1-1: General – Reglas comunes
y reglas para edificaciones.
- Eurocódigo – Bases de diseño estructural
- Documento Básico SE-M. Seguridad Estructural – Madera
- EN 1990:2002/A1 Eurocódigo – Bases de diseño estructural/corrección A1 – Anejo A2:
Aplicación para puentes.
- Eurocódigo 1: Acciones en estructuras – Parte 1-1: Acciones generales – Densidades,
peso propio, cargas impuestas para edificaciones.
- Eurocódigo 1: Acciones sobre estructuras – Parte2: Cargas de tráfico sobre puentes.
- Eurocódigo 1: Acciones en estructuras – Parte 1-4: Cargas de viento
- EN 1991-2 Eurocódigo 1: Acciones en estructuras – Parte 2: Cargas de tráfico sobre
puentes.
- IAP – 11: Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de
carretera.
- Eurocódigo 3: Diseño de estructuras de acero – Parte 2: Acero en puentes.
- EAE – Instrucción de acero estructural.
- EN 10138-1 Acero pretensado – Parte 1: Requisitos generales
- EN 10138-4 Acero pretensado – Parte 4: Barras
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CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE
2.1. Antecedentes históricos
Hace más de 3000 a.c no existían los puentes de madera. Para salvar pasos a diferente nivel
sobre ríos en los pueblos de aquel entonces se utilizaba la madera. Inclusive el hombre
buscaba la manera de superar esos obstáculos, desde entonces el primer hombre en pensar
en la madera en su forma inicial fue en el lugar de la Mesopotamia construyendo con rollizos
poco labrados. Y desde ahí fue que poco a poco se fue conociendo este material y
adaptándolo a diferentes formas en la construcción por varios constructores de aquella época.
La primera construcción más grande en donde solo se utilizó rollizos fue en el año 55 a.c y
tenía 12 metros de ancho y 400 metros de longitud que se soportaban sobre pilas separadas
cada 8m y que estaban arriostradas con tornapuntas para evitar que fueran llevadas por el
agua.[6]
Con el paso del tiempo y después de muchos años de haberle dado un gran uso a la madera
en el sector construcción, sobre todo en puentes, se consideró a la madera como un objeto
de carácter artístico a las cuáles se les atribuía propiedades religiosas y místicas. Además, se
desarrolló para fines militares lo cual generó que fuera perdiendo funcionalidad, hasta en que
en Suiza se impulsó nuevamente su construcción que generó un prestigio importante en sus
obras con este material. Entre los años 1755 y 1758 se construyó un puente de madera sobre
el río Rin, en Schaffhausen sustituyendo al deteriorado puente en piedra construido en la Edad
Media.[6]
A comienzos del siglo 19 la construcción de puentes en madera alcanzó un nuevo auge no
solo en Suiza, sino que también en Norteamérica. Las grandes distancias y la poca densidad
poblacional requirieron la rápida construcción de vías de comunicación. En contraste con
Europa, en EEUU no había tradición artesanal en el área de construcción. A partir de 1820 y
como consecuencia de la patente de un sistema constructivo por parte de los americanos
Stephan Long y William Howe, comenzó la aplicación amplia del sistema de vigas de celosía
mediante diagonales. Una tupida malla de barras en diagonal permitió el desarrollo de uniones
traccionadas o comprimidas resueltas por medio de clavos (generalmente pasadores de
madera), llaves o tarugos de madera, conectores de anillo y pernos.[6]
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Los países colonizadores europeos, con el fin de obtener sus materias primas en las zonas
montañosas, tuvieron que construir grandes puentes sobre profundos acantilados, como por
ejemplo en el norte de la India. Por medio de rollizos de los bosques aledaños se armaban
enormes estructuras, cual andamios, constituidos generalmente por torres conformadas por
entramos sobrepuestos. En EEUU se empleó este sistema especialmente para puentes de
ferrocarriles para evitar la construcción de grandes terraplenes. Además, este sistema permite
construir puentes adaptados a vías férreas en curva. Para la construcción de la red ferroviaria
se requería una gran cantidad de puentes de grandes luces y que debían poder soportar
enormes cargas.[6]
Durante los años 1986 – 87 se construyó cerca de Essing una pasarela de madera laminada
de 192 m de largo. En analogía a la curvatura que genera un cable se configuraron las
ondulaciones entre los apoyos, de tal madera que las cargas verticales uniformemente
repartidas dieran como resultante principal axiles de tracción. Por lo tanto, la placa tensada
solo queda solicitada en un 10% a los esfuerzos originados por la flexión. [6]
Figura 4. Pasarela peatonal en Essing, Alemania (entre los años 1986 – 87)[6]
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Las posibilidades de la construcción de puentes se ampliaron con el desarrollo de los nuevos
materiales de construcción, hierro forjado, acero y hormigón. A las crecientes exigencia, el
aumento del tráfico y las cargas, las solicitaciones dinámicas y las mayores luces con menores
deformaciones admisibles, correspondían mejor los materiales cuyas resistencias podían ser
calculadas, en vez de la madera que se seguía utilizando en forma tradicional. A raíz de ello
la madera fue perdiendo relevancia. En parte esta pérdida de campo de aplicación también
se debió a normas que afectaron en forma unilateral a la madera como, por ejemplo, la
protección contra el fuego. [6]
La mayoría de puentes no tienen gran durabilidad ya que están directamente expuestos a la
intemperie y no tienen protección alguna. Además, el gran consumo de madera condujo con
el tiempo a una falta de material o se requerían cubrir distancias apreciables para poder
suministrarlo.[6]
En Latinoamérica y Asia existen puentes colgantes que salvan luces de hasta 120 metros y
se han comportado en condiciones óptimas hasta hoy en día. En épocas más recientes, y aún
en lugares distantes, se han ido sustituyendo los tirantes de fibra natural por cables de
acero.[6]
Tal vez el puente más impresionante en América es el construido en el año 1,849 por
Thompson S. Brown con un arco que salvaba una luz de cerca de 90 m. Para la construcción
de este puente de dos vías paralelas de ferrocarril se requirieron de 306 m3 de madera de
encina, 1,037 m3 de abeto, 31,921 kg de hierro forjado y 21,070 kg de hierro fundido. El costo
de la construcción fue de 45,550 US$.
Figura 5. Puente ``Cascade Bridge`` del ferrocarril a Erie [6]
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2.1.1. Evolución de elaboración de la madera
La aplicación de tecnologías nuevas en la elaboración de la madera es muy importante hoy
en día ya que se tiene que adaptar a nuevos procesos constructivos y nuevas formas, por lo
tanto, el desarrollo de la madera se tiene que dar de manera paralela junto con la evolución
de los sistemas constructivos. Por ejemplo, se podría empezar con el tema de la durabilidad
que es una especie de exigencia en estructuras que van a resistir grandes cargas y en que
sobre todo estarán expuestas a condiciones que pueden deteriorar la resistencia del material.
Para ello, se elaboran madera de mayor calidad, e incluso se añaden tratamiento químico
conforme al tipo de madera para que no sean dañados con el fin de proteger a la madera de
la intemperie. [6]
La principal elaboración de la madera es en madera laminada encolada de alta resistencia
con una clasificación de uso mediante ensayos, de los cuáles se generan materiales básicos
de estructuras y en otros caso de madera combinada con madera aserrada o madera
laminada, los cuáles serían madera reconstituida.[6]
Los materiales como la madera microlaminada, son perfectamente combinables con la
madera laminada, por medio de uniones mecánicas o con adhesivos. Este nuevo material
permite el diseño de estructuras esbeltas y de secciones económicas; por ejemplo, las
diagonales extremas de una viga de celosía en las que los axiles de compresión son muy
elevados, además de la posibilidad de pandeo. [6]
Figura 6. Evolución de la elaboración de la madera[6]
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2.2. Tipos de madera
2.2.1. Madera maciza
Para el uso de la madera aserrada sea estructural se ha clasificado por su resistencia, según
lo indica el Documento en seguridad estructural para madera. Las clases resistentes son: C14,
C16, C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40, C45 Y C50 para confinaras y chopo; D30,
D35, D40, D50, D60 y D70 para frondosas. Cada número indican el valor característico de
resistencia a flexión, 𝑓𝑚,𝑘, expresada en 𝑁 𝑚𝑚2⁄ .[1]
2.2.2. Madera laminada encolada
La madera laminada encolada se clasifica según sea homogénea o combinada por sus siglas
en inglés (G: Gluem) y se muestran a continuación:
- GL24h, GL28h, GL32h y GL36h para madera laminada encolada homogénea.
- GL24c, GL28c, GL32c y GL36c para madera laminada encolada combinada
Igualmente, que en anterior caso cada número entre las letras indica el valor de la resistencia
característica a flexión, 𝑓𝑚,𝑘, expresada en 𝑁 𝑚𝑚2⁄ . [1]
2.3. Clasificación de la madera
Existe mucha variedad de las especies de madera existentes en el mundo, pero para este
trabajo se han considerado de España y de Escandinava ya que de ahí será traído la materia
prima principal para el puente. Por lo que cada madera tiene una clase resistente diferente
debido a sus combinaciones entre ellas ya varia la calidad de estas, con diferentes
propiedades.
2.3.1. Clasificación de la resistencia a partir de la calidad arbórea
La especie arbórea dada en la tabla 1 pertenece de la familia de la madera aserrada según lo
establece el DBSE-M. En la tabla 2 se puede observar las diferentes clases resistentes de la
especie arbórea en España y algunos otros países, de los cuáles se puede notar que la
madera en España se clasifica en ME-1 y ME-2 principalmente, como se observa en la tabla
3.[1]
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Figura 7. Especies arbóreas procedentes de España[1]
Figura 8. Clasificación de la madera según sus especies arbóreas[1]
Figura 9. Normativas de las calidades de madera en diferentes países europeos[1]
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Para saber la clase resistente de la madera se tiene que indicar en la ficha técnica que es
establecida por el fabricante y en donde también se muestran las propiedades de la madera.
Este documento es muy importante ya que además de decirnos a qué clase resistente
pertenece la madera con la cual se va a trabajar, también sirve para poder obtener cálculos
de resistencia que son de esa clase [1]. En el presente trabajo se va a trabajar con la madera
laminada encolada, cuyas propiedades estarán determinadas en el DBSE-M y se verán más
adelante.
2.3.2. Propiedades de la madera laminada encolada
a) Madera laminada encolada homogénea
Para este trabajo se considerará la madera laminada encolada de clase resistente GL36h
como se observa en la tabla E.3, según el Documento Básico de Seguridad Estructural en
Madera (2019) y se muestra en la tabla 4.
Figura 10. Propiedades de la madera laminada encolada homogénea según su clase
resistente[1]
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Figura 11. Propiedades de la madera clase GL36h[1]
1. Valor de cálculo de las propiedades del material
El valor de diseño de una propiedad resistente debe ser calculada como:
𝑋𝑑 = 𝑘𝑚𝑜𝑑
𝑋𝑘
𝛾𝑀 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (2.2)
Donde:
Xk = Es el valor característico de una propiedad de resistencia
ɣM = Es el factor parcial para una propiedad del material
kmod = Es el factor de modificación tomando en cuenta el efecto de la duración de la carga y
contenido de humedad. [3]
Figura 12. Coeficiente parcial de seguridad según el tipo de madera, 𝛾𝑀 [1]
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Figura 13. Factores de modificación, 𝑘𝑚𝑜𝑑 [1]
2.3.3. Factores que pueden afectar el comportamiento estructural de la madera
El comportamiento estructural de la madera se puede ver afectado por dos características
importantes. La primera tiene que ver con la durabilidad del material y la segunda se relaciona
al tipo de exposición a las que estarán sometidas las estructuras.
1. Clases de duración de las acciones
Existen 5 clases de duración de las acciones según el DBSE-M, en donde la duración
aproximada de la acción es desde algunos segundos hasta 10 años. Para este trabajo se
consideró una clase de duración permanente, es decir, que las acciones se consideran el peso
propio y la carga permanente, por lo tanto, la duración de la carga debe de ser mas de 10
años, como se muestra en la figura 5. [1]
Figura 14. Clases de duración de las acciones[1]
2. Clases de servicio
La clase de servicio se refiere a las condiciones ambientales a las que estará sometida durante
toda su vida útil el elemento estructural. a continuación, se definen tres clases de servicio que
están estrechamente relacionado con el contenido de humedad presente y a las que estarán
expuestas la madera. [1]
- Clase de servicio 1: la clase 1 corresponde a aquellos materiales que están expuestos
a una temperatura del 20 ± 2ºC y una humedad relativa del aire que no exceda un 65%.[1]
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En la clase de servicio 1 el contenido de humedad medio en la mayoría de las coníferas
no excede el 12%. A este grupo pertenecen las estructuras que están cerradas o cubiertas
del medio ambiente.[1]
- Clase de servicio 2: la clase de servicio 2 corresponde a una temperatura igual al de la
clase 1; es decir, de 20 ± 2ºC, pero con la diferencia de que no debe exceder el 85% en
humedad relativa del aire que sólo exceda el 85%. [1]
En la clase de servicio 2 el contenido de humedad medio en la mayoría de las coníferas
no excede el 20%. A este grupo pertenecen las estructuras que también están cubiertas
como en la clase de servicio 1 pero también pueden estar expuestas al medioambiente.
[1]
- Clase de servicio 3: la clase 3 se considera una clase que supera las temperaturas y el
contenido de humedad relativa de la clase de servicio 1 y 2.[1]
- Clase de uso 4: la clase de uso 4 significa que el elemento estructural está en contacto
con el suelo y está expuesto a un contenido de humedad que supera el 20%.
- Clase de uso 5: la clase de uso 5 considera que el elemento estructural está
permanentemente en contacto con agua salada. En estas circunstancias el contenido de
humedad de la madera es mayor que el 20%, permanentemente.
Para el caso de este trabajo se tiene que la clase de servicio de la madera será la clase 3, ya
que cada elemento estructural del puente estará expuesto al medioambiente y a los diferentes
cambios climáticos, para lo cual es un beneficio ya que se estará del lado del lado de la
seguridad.[1]
2.4. Durabilidad
2.4.1. Introducción
La durabilidad en una estructura de madera es una característica importante a la hora de
realizar el diseño, así pues, existe la durabilidad natural de la madera y depende de la
clasificación que se había mencionado en los apartados anteriores. Pero lo más habitual es
que la madera reciba tratamientos químicos para poder una buena durabilidad.[1]
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En el caso de puentes de madera, el efecto de la precipitación, viento y radiación solar también
debe ser tomado en cuenta. El efecto del desgaste directo por precipitación o radiación solar
de los miembros de estructuras de madera pueden ser reducidos por medidas de prevención
constructivas, o usando madera con una durabilidad natural suficiente, o siendo tratados en
contra de ataques biológicos. [3]
Cuando no se pone en práctica el recubrimiento parcial o completo de los elementos
estructurales, la durabilidad se puede mejorar teniendo en cuenta una serie de medidas[6],
tales como:
- Elegir una geometría de la estructura que garantice la ventilación natural de todas las
piezas de madera.
- Se debe asegurar el contenido inicial del material y evitar que ingrese más humedad ya
que podría generar hinchamiento o reducciones en la sección.
- Evitar las fisuras o delaminaciones de la madera, especialmente en donde la fibra estaría
expuesta a la absorción directa del agua.
El riesgo de incrementar el contenido de humedad cerca al terreno, por ejemplo, debido a la
ventilación insuficiente para la vegetación entre la madera y el terreno[6], puede ser reducido
por una o más de las siguientes medidas:
- El uso de una distancia incrementada entre las partes de la madera y el nivel de terreno.
- Cubriendo el terreno y limitar la vegetación.
Cuando los miembros de la madera estructural están expuestos a la abrasión por el tráfico, la
profundidad usada en el diseño debería ser el mínimo permitido antes del reemplazo.[3]
2.4.2. Protección de la madera
Existe la probabilidad de que la madera al estar expuesta al medio ambiente se exponga a
ataques por agentes bióticos o abióticos, causando daños a la estructura y reduciendo su
comportamiento estructural. por lo tanto es necesario proteger la madera frente a estos
agentes a un nivel aceptable por la madera para que tampoco se vea perjudicado las
propiedades del material.[6]
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- Protección frente a los agentes bióticos
Los elementos estructurales de madera deben estar protegidos de acuerdo con la clase de
uso a la que pertenecen. Se permite el empleo de madera con durabilidad natural suficiente
para la clase de uso prevista según lo establecido en el Documento básico de seguridad
estructural en madera.[1]
En la siguiente tabla se indica el tipo de protección exigidos en función de la clase de uso.
Figura 15. Nivel de penetración según la clase de uso [1]
La madera laminada encolada que se utilizará para el arco, tablero, viga longitudinal, viga
transversal y de arriostre, presentes en este trabajo, tendrán un nivel de protección NP2 de la
clase de uso 3.1, según la tabla 8 que indica un tratamiento total en todas las caras de la
madera con una penetración total en la abolladura.
La no protección de los elementos estructurales de madera puede llevar a la pérdida de las
propiedades de rigidez y resistencia.[1]
Los agentes bióticos que se menciona al principio de este apartado son los siguientes [7]:
Agentes bióticos
Los hongos, los insectos y los xilófagos marinos afectan la madera y sus productos derivados.
La oportunidad y la gravedad de sus ataques dependen en gran medida de las condiciones
de servicio a que se ven expuestos, es decir, el grado de exposición a la intemperie y el
régimen de humectación.[7]
Hongos cromógenos y mohos
Uso responsable de los productos madereros en elementos urbanos. Para el desarrollo de los
hongos es necesario un contenido de humedad de la madera superior al 20% en peso. Hongos
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causantes del azulado y los mohos. Estos hongos presentan básicamente inconvenientes de
tipo estético. Pueden dañar los revestimientos decorativos y los protectores.[7]
hongos xilófagos
Esta categoría incluye los hongos de pudrición, aquellos que degradan la madera y
disminuyen de manera significativa sus propiedades físicas y mecánicas. Los ataques sólo se
producen si la madera está en contacto con agua líquida (agua corriente, condensaciones,
suelo muelle ...), cuando la temperatura está entre 5 ° C y 40 ° C y si hay presencia de oxígeno,
es decir, el frío pare el desarrollo, el calor seca en exceso el ambiente y necesitan ambientes
aerobios. Bajo el agua no se desarrollan; por eso la madera totalmente sumergida no se
pudre.[7]
Insectos
Animales invertebrados que tienen tres pares de patas y que en muchos casos han
desarrollado la habilidad de volar. Son extremadamente abundantes y pueblan todo el planeta.
Los insectos xilófagos no pueden atacar la madera si no pueden acceder físicamente o si al
ambiente donde está instalada no hay oxígeno, este hecho pasa esencialmente bajo el
agua.[7]
Moluscos y crustáceos
Xilófagos marinos es la denominación común que se aplica fundamentalmente a los
invertebrados, tales como Limnos sp., Teredo sp. y Pholadidae, entre otros. Requieren agua
con cierta salinidad y se desarrollan a la madera originando galerías y cavidades, Pueden
provocar daños de gran consideración en embarcaciones y estructuras fijas y flotantes.[7]
Vertebrado
Esencialmente pájaros carpinteros (Picidae), liebres y conejos (Leoporidae). Estos animales
no se alimentan de la madera, pero también pueden provocar daños de importancia en
estructuras, fachadas de madera, postes de líneas aéreas o ásperas. Los roedores muerden
la madera, mientras que los trepadores la perforan. En el caso de las aves, proteger la madera
en profundidad incluso con creosota no es una solución efectiva para evitar sus ataques.[7]
b) Protección de la madera laminada encolada.
Como se ha visto la madera laminada encolada está conformada por una serie de láminas de
madera aserrada, con lo cual cada una de ellas debe protegerse antes de ser encoladas y no
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después de haber sido acabadas. Esto con el fin de que cada elemento sea protegido desde
su fabricación para evitar daños futuros. [1]
Para cada clase de uso que tiene la madera se tiene una diferente protección. Por ejemplo, si
la madera es de clase 2, se debe proteger después de las operaciones de acabado como son
el cepillado o los taladros.[1]
Para madera de clase de uso 3.1. se debe tratar con cobre en cada pieza terminada previo a
ser encolado.[1]
Para las maderas de mayor clase de uso como las clase 3.2 a 4, se debe proteger cada lámina
previo a su encolado y además se debe de comprobar que cada producto químico añadido
sea compatible y no altere las propiedades de la madera.[1]
3. Protección frente a agentes meteorológico
Para proteger frente a los agentes biológicos a la madera se tiene que tener en cuenta el
diseño constructivo y principalmente protegerlo de la causa de muchos daños que es la
humedad. Esta protección se da sobre todo si la madera corresponde a una clase de uso
superior a tres.[1]
En los elementos estructurales que están expuestos al medioambiente debe usar productos
que soporten los cambios de temperatura y que sean compatibles entre medio ambiente y
madera. Para ello el documento básico en seguridad estructural de la madera recomienda que
se deben emplear protecciones que sean superficiales sobre todo para no permitir que entre
el agua en la madera y así evitar la pudrición de está, pero que tampoco le lleguen altas
temperaturas puesto que se seca demasiado la madera y se reducen su sección lo cual no es
conveniente.También se recomienda el uso de pinturas y barnices para un posterior
mantenimiento.[1]
4. Protección contra la corrosión
Según el Diseño de estructuras de madera BS-EN 1995-1-1_E_2004 la posibilidad de tensión
por corrosión debe ser tomada en cuenta el cálculo de la resistencia a corrosión. Un ejemplo
de estructuras en condiciones especialmente corrosivas es un puente de madera, donde la
corrosión por deshielo no puede ser excluida. [1]
El efecto del tratamiento químico contra la corrosión de la madera o en madera con alto
contenido de ácido, se debe tener en cuenta sobre todo en las uniones estructurales y
sujetadores de metal del puente.[1]
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En la tabla 9 se resumen la protección que debe tener cada elemento de fijación que esta en
contacto con la madera para evitar la corrosión y evitar la propagación a la madera según las
clases de servicio 1, 2 y 3.[1]
Figura 16. Protección mínima frente a la corrosión, o tipo de acero necesario[1]
Inspección visual
La inspección visual de los puentes de madera se basa en dos grupos de indicadores visuales.
El primer grupo incluye tres indicadores visuales de la presencia de descomposición: (a)
estructuras de fructificación de hongos características, (b) encogimiento anormal de la
superficie o caras hundidas, y (c) actividad de insectos. El segundo grupo de visual
indicadores se utiliza para identificar seis condiciones que conducen a la descomposición. Los
indicadores son[8]:
1. Humedad excesiva (evidenciada por marcas de agua o manchas).
2. Manchas de óxido en superficies de madera.
3. Crecimiento de vegetación en los miembros del puente.
4. Acumulación de tierra en cualquier superficie de madera, que pueden atrapar agua y
aumentar el riesgo de descomposición.
5. interfaces de juntas, sujetadores mecánicos, campo fabricación, y madera adyacente a
otra trampa de agua áreas de ping, que son sitios potenciales de hongos en
descomposición y crecimiento.
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Finalmente, si se tiene un diseño detallado de la madera, ésta no necesitara de tratamientos
químicos, aunque generalmente se debe tratar para conseguir una mayor durabilidad solo
que en algunos caso se debe proteger demasiado a la madera y en otros casos no tanto,
todo va a depender de muchos factores como la clase de servicio a las que estarán sometidos
cada elemento estructural y si están expuestas o no al ambiente exterior.[8]
A pesar de lo mencionando anteriormente, la madera por sí sola ya es resistente al calor, a
la helada, a la corrosión y hasta la contaminación, con el único factor que debe de ser
controlado es con la humedad ya que podría alterar su tiempo de vida útil [8]
Para los elementos de diseño externos como por ejemplo en un puente, se tiene que tener en
cuenta la distancia entre el suelo y la madera para conseguir una larga duración de vida útil,
usando madera tratada con calor y de calidades con tratamientos especiales.[9]
2.5. Tipologías de puentes de madera
2.5.1. Puentes con sistema estructural de placas
Las estructuras de placas de madera son estructuras constituidas por elementos cuyo
comportamiento se basa en la conformación de placas. Estas poseen una restricción que es
la luz máxima que puede alcanzar, pero que combinadas con otro tipo de estructuras puede
llegar a abarcar luces mayores.[6]
Esta estructura se basa en la conformación de placas rígidas a través de piezas de madera,
aserradas o laminadas dispuestas de canto longitudinalmente una al lado de la otra. Para
garantizar la colaboración de todos los elementos entre sí se emplean barras de acero que
atraviesan transversalmente las piezas de madera y que luego son tensadas. Esta tecnología
es una de las más nuevas en la construcción de puentes de madera y tiene varias ventajas
sobre otros tipos de placas.[6]
La principal ventaja de las placas tensadas, en comparación con otras estructuras de placas
laminadas, es que no hay delaminación entre las láminas y tiene un comportamiento muy
seguro en caso de sobrecargas.[6]
Para el cálculo de esta placa se considera el comportamiento de vigas una al lado de la otra
en uno y otro sentido. El diseño tiene que asegurar tensiones admisibles de los materiales,
una rigidez suficiente, una deflexión limitada y evitar daños en la madera por una compresión
demasiada alta.[6]
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2.5.2. Sistemas estructurales de barras
Son puentes cuya estructura principal se establece por piezas estructurales lineales o barras,
abarcando luces que varían de acuerdo al tipo estructural utilizado. Algunos ejemplos son:
Sistemas de vigas, Sistemas de arcos, etc.[6]
El comportamiento de este sistema estructural se basa en la transmisión de las cargas a través
de líneas o barras, es por eso que en este sistema se encuentran la mayoría de los sistemas
estructurales.
Este sistema estructural se clasifica en tipos estructurales establecidos y que pueden ser más
directamente aplicables a nuestra realidad y son los siguientes:
- Sistema de vigas
- Sistema apuntalado
- Sistema de puente atirantado
- Sistema de viga tensada
- Sistema de viga reticulada
- Sistema de puente arco
- Sistema de puente colgante
De estos siete sistemas estructurales se seleccionó solo el sistema de puente arco como
puente vehicular. Este tipo de puente abarca luces desde los 9 hasta los 45 m de luz.
2.5.3. Sistema en arco
El puente arco destaca por tener un gran proceso constructivo de gran importancia, además
que es un puente estético. El arco es una estructura que resiste por forma[10].En
Generalmente se utiliza la forma del arco triarticulado debido a que es más fácil de transportar
y que estructuralmente no presenta problemas en los cimientos, ya que el esfuerzo lateral es
mínimo y el esfuerzo horizontal es resistido por estos mismos.[6]
El arco normalmente es una parábola, un círculo o una línea sinusoidal. Estas se diferencian
en su relación entre la altura y luz, desde el punto de vista estático más que óptico.
El tablero del puente puede encontrarse en tres diferentes posiciones:
- Puente arco con tablero superior: El tablero protege parte de la estructura de arcos.
- Puente arco con tablero intermedio: La ventaja principal es que el tablero sirve como
arriostramiento entre los dos arcos evitando así el volcamiento de éstos.
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- Arco con tablero inferior: En este caso la estructura queda expuesta a los efectos del
clima por lo que los arcos deben ser recubiertos en su totalidad. [6]
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CAPÍTULO 3. ESTUDIO DE CASO REAL
3.1. Descripción del puente en estudio
La descripción de los elementos constructivos y del proceso de diseño se realiza tomando
como base un ejemplo real de un proyecto de un puente de vehículos. Se trata del puente
ubicado en Sant Andreu de la Vola, Cataluña, España; cuyas luces son de 32+2x45+33m.
Este puente fue inicialmente construido mediante empuje y en estructura metálica.
Figura 17. Puente de acero en estudio en Sant Andreu de la Vola, Cataluña
3.2. Alternativas para un puente de madera
Se exponen diferentes alternativas de puentes de madera y se realiza un breve análisis con
el fin de determinar cuál de todas es la más apropiada y sobre todo que se adapte a las
características del puente en San Andreu de la Vola.
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La elección de una alternativa consistió básicamente en analizar las variaciones que se
producen en diferentes flechas del arco, manteniendo la luz de puente fija y viceversa, es
decir, manteniendo la flecha del arco fija y variar las luces del puente, de esta manera ir
probando los esfuerzos en el programa SAP2000, según las propiedades físico mecánicas y
ensayos al material (madera), se fue observando las limitaciones estructurales en cada caso
[5].
3.2.1. Alternativa 1. Puente arco con tablero superior
Es una tipología de puentes existentes en donde el tablero se apoya en el arco directamente
o mediante pilas intermedias, como se muestra en la figura 18.
Figura 18. Alternativa 1. Puente arco con tablero superior[5]
Este tipo de sistema de puentes tiene una ventaja en cuanto al número de arcos que se
pueden construir ya que no existe ninguna restricción, además la altura a la que se encuentra
permite que el tablero disminuya su espesor.[5]
En esta tipología de puente existe una fuerte solicitación horizontal a nivel de cimentación, es
por ello que se recomienda su construcción en terrenos de buena calidad porque de lo
contrario la cimentación tendría un elevado costo.[5]
3.2.2. Alternativa 2: Puente arco con tablero intermedio
La posición del tablero para este tipo de puentes es intermedia y se desarrolla dentro del arco,
lo cual se unen con tensores en el centro y pilares en sus extremos, según se muestra en la
siguiente figura:
Figura 19. Alternativa 2: puente arco con tablero intermedio.[5]
La principal ventaja de este modelo es que se pueden salvar mayores luces, ya que la unión
de la viga longitudinal con el arco se convierte en apoyos intermedios
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3.2.3. Alternativa 3: Puente arco con tablero inferior.
Esta alternativa corresponde a un modelo que está constituido por un tablero inferior sostenido
mediante tensores, los cuales trabajan principalmente a esfuerzos axiles.
Figura 20. Alternativa 3. Puente Arco con tablero inferior[5]
Este modelo es una buena alternativa cuando el terreno en donde se va a construir es de mala
calidad, debido a que la solicitación en los apoyos es principalmente vertical, lo cual es
favorable con la cimentación y los estribos del puente resultando estos con dimensiones
menores. [5]
Una característica importante en esta tipología de puentes es que necesita arriostramiento
para mantener su estabilidad estructural, en este caso el arriostramiento solo puede
materializarse en la clave del arco. Esto restringe la altura mínima del puente, la que depende
de la altura máxima del tipo de vehículo para el cual se de diseñar el puente.
3.3. Condicionantes
3.3.1. Condicionantes geométricos
El ancho de la plataforma tiene un total de 12.80 metros, que se encuentran distribuidos de la
siguiente manera:
- Dos carriles (3,50 m, cada uno) 7,00 m
- Dos Arcenes (2,50 m, cada uno) 5,00 m
Además, se encontrarán los siguientes elementos que limitan las plataformas:
- Barreras o pretiles 0,50 m
El puente está ubicado en un valle que tiene mucha profundidad, por lo que algunas pilas
tienen grandes alturas y están separadas por luces importantes.
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3.4. Alternativa seleccionada
Se optó por la modelación de puente arco con tablero inferior. Independientemente de la
alternativa elegida, una ventaja importante de este tipo de puentes la constituye la necesidad
de menor cantidad de madera en relación a la luz mayor abarcada, esto la hace ser una
solución más viable económicamente.[5]
3.5. Descripción de la solución adoptada
La estructura del puente se compone de Arcos con tablero inferior y péndolas que soportan el
tablero. Los arcos tienen una flecha de 8 metros y una luz de 39 metros, por lo tanto, se tiene
una relación f/L de 0.21. por cada arco se tienen 11 péndolas que están espaciadas cada 2.50
aproximadamente. Los materiales del arco y las vigas son de madera laminada encolada
homogénea y de las péndolas son barras de acero.
Figura 21. Puente arco con tablero inferior y péndolas con 4 luces de 39 metros.
3.6. Respuesta estructural
El comportamiento resistente en los puentes tipo arco principalmente se basan en el sistema
antifunicular de su geometría, frente a cargas verticales uniformes a lo largo de todo el tablero.
Para estos estados de carga, el arco queda sometido totalmente a compresión y con poca
flexión. Cuando, además, el puente es de tablero inferior tipo ¨bowstring´´, éste actúa como
tirante de tracción, uniendo los puntos de apoyo del arco y permitiendo que sólo se transmitan
cargas verticales a la cimentación.
Esta tipología se considera muy eficaz cuando las cimentaciones no pueden resistir fuerzas
horizontales importantes y su comportamiento es independiente de la forma de las péndolas,
verticales o inclinadas. Sin embargo, cuando las cargas se disponen longitudinalmente en la
mitad del tablero las flexiones que se generan ya no son solamente resistidas por el arco en
compresión ni el tablero a tracción, sino que aparecen flexiones en ambos elementos
estructurales.[11]
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El arco deja de ser el antifunicular de la carga, y el traslado de la carga desde el tablero a los
apoyos se realiza por distintos mecanismos resistentes, en función de la vinculación arco-
tablero y de sus rigideces relativas a flexión.
Figura 22. Leyes de momentos flectores en un bowstring con péndolas verticales sometido
a sobrecargas asimétricas. [12]
La funcionalidad de este tipo de estructuras está sujeta a una adecuada relación de inercias
entre el arco y el tablero que determina la respuesta resistente del conjunto. Así, se pueden
encontrar puentes arco de tablero inferior con arcos flexibles con tablero rígidos y
viceversa.[12]
Péndolas
Las péndolas son elementos que unen el arco con el tablero inferior. Suelen ser biarticuladas
y comportarse fundamentalmente a tracción. En determinados puentes, péndolas rígidas
empotradas en el arco o en el tablero pueden excitar otros mecanismos resistentes. En el
caso de péndolas articuladas formadas por cables (o barras) es más interesante el
comportamiento como elemento de conexión arco-tablero que el comportamiento de la
péndola en sí.[13]
Péndolas articuladas
Las péndolas articuladas presentan anclajes extremos que permiten el giro. Cuentan con un
sistema que permite ser tesado mediante el uso de placas, roscas y tuercas cuando sea
necesario.[13]
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Figura 23. Péndolas articuladas[13]
Figura 24. Anclaje de péndolas en el arco del puente [13]
Figura 25. Tipologías de anclajes de cables con extremos articulados [13]
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Péndolas rígidas
Las péndolas rígidas se busca la colaboración resistente, principalmente a flexión, de las
péndolas a base de darles dimensiones comparables a las de los extremos que vinculan.[13]
Efecto estructural de la péndola rígida
Una péndola biarticulada transmite axiles en dirección de la barra.
Si se da rigidez a las péndolas en efecto estructural es distinto en función de los grados de
libertad que se empotran. [12]
- Si la péndola tiene rigidez a flexión transversal y está empotrada en un solo extremo,
aparece un torsor localizado en el extremo empotrado que provoca una reacción
perpendicular a la péndola en el extremo articulado.
- Si la péndola esta biempotrada transversalmente, la movilización de la rigidez a flexión
de la péndola provoca la aparición de dos torsores (en arco y tablero) localizados en sus
extremos.
- Si además las péndolas están empotradas en el plano longitudinal, el empotramiento
longitudinal es similar al de una viga Vierendel, donde los montantes son las péndolas
rígidas, el cordón superior es el arco y el inferior el tablero.[13]
Separación entre péndolas
Es un aspecto fundamental separar las péndolas a la hora de determinar la geometría de un
arco con tablero superior. Si la separación entre las péndolas es mayor significa que la
distancia entre las vigas transversales el mayor también y que se verá sometido a mayores
esfuerzos de flexión.[14]
Para este trabajo, inicialmente se tenían 7 péndolas espaciadas cada 5 metros
aproximadamente, pero basándonos en el análisis del programa SAP2000, y en la deformada
del tablero con un límite de L/400, se determinó que se tendrían que aumentar el número de
péndolas, quedando finalmente con 11 péndolas de 60mm de diámetro espaciadas cada 2.85
metros.
Vigas transversales
Las vigas longitudinales que componen el tablero se encuentran unidas entre sí por 11 vigas
transversales de 12.80 metros de longitud además de dos riostras iniciales también de 12.80
metros de longitud. La sección tipo del elemento viga transversal es maciza rectangular de
0.30x0.55 m. en madera.
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CAPÍTULO 4. PUENTE DE MADERA
4.1. Geometría de la estructura
Previo al diseño se debe definir la geometría básica de la estructura de arco cuyos elementos
constituyentes principales son: Arco y vigas longitudinales de madera laminada encolada
homogénea (definición en apartado 1.3), tirantes de acero de 60 mm de diámetro, vigas
transversales de madera laminada encolada homogénea para soporte del tablero y en arco
para minimizar el movimiento en el arco debido a viento. Finalmente, vigas de arriostramiento
para las vigas transversales.
Figura 26. Secciones transversales de los elementos estructurales en cm.
El puente consta de cuatro arcos simétricos con tablero inferior cuya luz (L) es de 39 metros,
y la longitud total del puente es de 156 metros. La flecha (f) es de 8 metros, lo que implica una
relación Flecha/Luz de 0.21.
El arco será triarticulado y el material es de madera laminada encolada homogénea GL36h
(apartado 2.2.2), tiene un canto de 100 centímetros, un ancho de sección constante de 70
centímetros. El tablero inferior tiene un ancho de 12.80 metros, las cuáles están conformadas
por cuatro placas de madera laminada encolada de secciones 2.20x0.20x39 m. y dos placas
de madera laminada de sección 2.00x0.20x39 m. Las péndolas son de acero cuya dimensión
es de 60mm de diámetro, por cada arco se tienen 11 péndolas las cuáles sostienen al tablero.
Consta de 3 pilares internos y dos estribos en los cuáles se apoya el arco y las vigas
longitudinales.
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Figura 27. Geometría del puente de madera en metros.
Figura 28. Vista en 3D del Puente Arco en Madera
El tablero será sostenido por elementos transversales los que serán soportados por medio del
arco de madera laminada a través de perfiles de acero que cumplirán la función de tensores
los que serán articulados en sus extremo superior e inferior a la viga transversal.
Cabe destacar que el empotramiento perfecto entre elementos de madera es difícil de
materializar, siendo esta una razón del tipo constructivo que se suma a las de tipo estructural
que reafirma la decisión de uniones articuladas para los arcos.
Otra de las razones por las que se utiliza un arco triarticulado es que estructuralmente no
presenta problemas en los cimientos, ya que es esfuerzo lateral es mínimo y el esfuerzo
horizontal es absorbido por estos mismos.[5]; es decir, que las articulaciones en los arranques
del arco absorben las fuerzas verticales y horizontales sin flexión alguna y la articulación en
clave hace que el sistema inicialmente hiperestático sea isostático. Las vigas unidas mediante
articulaciones solamente trabajan a esfuerzo axil, los momentos son nulos.[15]
4.2. Modelo estructural
Se ha modelado el puente de madera en tres dimensiones con el uso del programa de cálculo
SAP2000 v.14. definiendo los materiales y las secciones mencionadas anteriormente.
Para el modelo se ha considerado elementos tipo frame en todos los elementos estructurales,
es decir que, son elementos tipo barra, a los que se les puede asociar una sección con
material, indicando qué punto de la sección coincide con la directriz de la barra, a efectos de
inercia. Consta de dos nodos (inicial y final).
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Modelo en 3D
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4.3. Materiales
Los materiales empleados en el modelo estructural, que se plantean en el puente tienen las
siguientes características:
- Madera laminada encolcada homogénea de clase GL36h, para viga longitudinal, arco,
vigas transversales y de amarre cuyo módulo de elasticidad se muestra en la tabla 4 del
apartado 2.3. 2.a. Las unidades del módulo de elasticidad fueron cambiadas para insertar
en el programa SAP, el cual se muestra a continuación:
𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑎 ℎ𝑜𝑚𝑜𝑔é𝑛𝑒𝑎 = 14.7 𝑥106 𝑘𝑁/𝑚2
- Barras de acero macizo de 60 mm de diámetro, para tirantes o péndolas, cuyo valor del
módulo de elasticidad se encuentra a continuación:
𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 = 210 𝑥106 𝑘𝑁/𝑚2
Los materiales mencionados, se asignan a cada una de las secciones creadas en el programa
SAP2000, considerando sus características.
4.4. Acciones a considerar
Las acciones son aquellas fuerzas que interna o externamente afectan a la estructura y
producen una serie de esfuerzos en la misma.
4.4.1. Acciones permanentes
Son aquellas que van a actuar durante toda la vida útil de la estructura. Se clasifican en dos:
de valor constante y de valor no constante.
1. Acciones permanentes de valor constante (G)
Se producen por el peso de los distintos elementos que componen el puente. Se considera
únicamente el peso propio de la estructura y la carga muerta. Su valor característico depende
del peso específico del material, y de las dimensiones del elemento. Multiplicando el espesor
de los elementos por el peso específico se obtienen las cargas.
Peso propio (g1)
Esta acción es la que corresponde al peso de los elementos estructurales y su valor
característico podrá deducirse en función de las dimensiones de sección de cada elemento y
su peso específico.
Carga muerta (g2)
Son las debidas a los elementos no estructurales que gravitan sobre los estructurales, tales
como: pavimento de calzada y aceras, elementos de contención, dotaciones viales y de la
propia estructura, conductos de servicios, etc.
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1. Acciones permanentes de valor NO constante (G*)
La fuerza del pretensado varía debido a las características de los materiales, disminuyendo a
lo largo de tiempo.
4.4.2. Acciones variables
1. Sobrecarga de uso
a.1) División de la plataforma en carriles virtuales
Para aplicar la instrucción IAP-11, es necesaria la consideración de carriles virtuales a lo
ancho del tablero, mediante el siguiente criterio:
Figura 29. Definición de los carriles virtuales[16]
Debido a que el tablero tiene un ancho de 12.80 metros y teniendo un carril virtual de 3 metros
de anchura, por lo tanto:
𝑛 = 𝑒𝑛𝑡 (12.80
3) = 4.26 ≅ 4 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑙𝑒𝑠 𝑣𝑖𝑟𝑡𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠
12.80 − 3 ∗ 4 = 0.8𝑚
Por lo que el área remanente tendrá una anchura de 0.8 metros
Figura 30. Ejemplo genérico de la distribución de los carriles. [16]
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a.2) Cargas verticales
- Cargas verticales debidas al tráfico de vehículos
Existen dos tipos de acciones a considerar, mostradas en la siguiente tabla:
Figura 31. Valor característico de la sobrecarga de uso. [16]
Los cuales se distribuyen del siguiente modo a lo largo y ancho del tablero:
Figura 32. Distribución de vehículos pesados y sobrecarga uniforme. [16]
Las cargas referentes al vehículo pesado se encontrarán centradas en los carriles
correspondientes, en aquella posición que resulte más desfavorable. Cada vehículo pesado
estará constituido por dos ejes separados 1,20 metros entre sí, las ruedas del mismo eje
estarán separadas trasversalmente 2,00 metros, considerándose el peso en cada rueda como
una carga puntual de 0,5 Qik.
Además, la sobrecarga uniforme se extenderá longitudinal y transversalmente por carriles y
área remanente, en aquellas zonas en las que su efecto se considere desfavorable.
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- Cargas verticales en zonas de uso peatonal
En las zonas de uso peatonal de los puentes (aceras), se supondrá aplicada una sobrecarga
uniforme de 5 kN/m2 en las zonas más desfavorables, longitudinal y transversalmente, para
el efecto en estudio. [1]
a.3) Fuerzas horizontales
- Frenado y arranque
El frenado, arranque o cambio de velocidad producirá en el tablero una fuerza horizontal
uniformemente distribuida en la dirección longitudinal del puente, aplicada a nivel de la
superficie de rodadura.
𝑄𝑙𝑘 = 0.6 ∗ 2 ∗ 𝑄1𝑘 + 0.1 ∗ 𝑞1𝑘 ∗ 𝑤1 ∗ 𝐿
Donde:
𝑄𝑙𝑘 es la carga vertical de un eje correspondiente al vehículo pesado del carril 1, siendo
300 kN.
𝑞1𝑘 es la carga uniformemente distribuida en el carril 1, equivale a 9 kN/m2
𝑤1 es la anchura del carril 1, cuyo valor es de 3 m.
L es la longitud entre juntas del tablero, en caso de no haberlas se considera la longitud total
del puente; por tanto, L = 156 m. y reemplazamos
𝑄𝑙𝑘 = 0.6 ∗ 2 ∗ 300 + 0.1 ∗ 9 ∗ 3 ∗ 156 = 781.2 𝑘𝑁
Sin embargo, el valor está limitado entre 180 y 900 kN, siendo, por tanto:
𝑄𝑙𝑘 = 781.2 𝑘𝑁
a.4) Fuerzas transversales
Al ser un puente de alineación recta no se producirán fuerzas de este tipo.
4.4.3. Viento
Según el Eurocódigo 1: Acciones en estructuras. Parte 1-4: Acciones generales. Acciones del
viento, incluye un capítulo para la estimación del efecto del viento en puentes. Es de aplicación
en puentes con canto constante y para unas secciones transversales determinadas. Estas
secciones incluyen los tableros soportados por vigas alma llena con diferentes secciones y
los puentes formados por dos vigas de celosía con tablero superior o inferior. No es aplicable
a puentes en arco, puentes con tablero suspendido por cables, puentes cubiertos, puentes
móviles y puentes con tableros significativamente curvos o con múltiples curvaturas en el
tablero.
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El planteamiento de la instrucción IAP es muy similar al del Eurocódigo. El efecto del viento
se asimila, en general, a una carga estática. En aquellos casos en los que la acción del viento
pueda originar fenómenos vibratorios importantes como, por ejemplo, estructuras muy
flexibles, tales como puentes o pasarelas con algún vano de luz superior a 200 m o 100 m,
respectivamente, puentes colgantes o atirantados.
1. Velocidad básica del viento
Se obtiene a partir de la velocidad básica del viento, mediante la siguiente expresión:
𝑉𝑏 = 𝐶𝑑𝑖𝑟𝐶𝑠𝑒𝑎𝑠𝑜𝑛𝑉𝑏,0
Donde:
𝑉𝑏 velocidad básica del viento para un periodo de retorno de 50 años (m/s)
𝐶𝑑𝑖𝑟 factor direccional del viento que, a falta de estudios más precisos, puede
tomarse igual a 1.0
𝐶𝑠𝑒𝑎𝑠𝑜𝑛 factor estacional del viento que, a falta de estudios más precisos, puede
tomarse igual a 1,0
𝑉𝑏,0 velocidad básica fundamental del viento (m/s), según el mapa de isotacas de
la IAP-11.
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Figura 33. Mapa de isotacas para la obtención de la velocidad básica fundamental del
viento 𝑉𝑏,0. [16]
La obra está emplazada en Sant Andreu de la Vola, Barcelona que según el mapa se
encuentra en una zona C por lo que se considerará la velocidad de viento básica igual a Vbo=
29 m/s. Por lo tanto, la velocidad básica del viento para un T=50 años es 29 m/s.
Figura 34. Periodo de retorno para situaciones transitorias. [16]
Para otro periodo de retorno diferente, la fórmula a emplear es:
𝑉𝑏(𝑇) = 29 𝑚/𝑠
2. Empuje del viento
El empuje producido por el viento se calcula por separado para cada elemento del puente. El
empuje sobre cualquier elemento de la estructura se calcula mediante la expresión:
𝐹𝑤 = [1
2𝜌𝑉𝑏
2(𝑇)] 𝐶𝑒(𝑧)𝐶𝑓𝐴𝑟𝑒𝑓
Donde:
𝐹𝑤 empuje horizontal del viento (N)
1
2𝜌𝑉𝑏
2(𝑇) presión de la velocidad básica del viento 𝑞0(N/m2)
𝜌 densidad del aire, que se tomará igual a 1,25 kg/m3
𝑉𝑏(𝑇) velocidad básica del viento (m/s) para un periodo de retorno T.
𝐶𝑓 coeficiente de fuerza del elemento considerado (Tabla 16)
𝐶𝑒(𝑧) coeficiente de exposición en función de la altura z calculada según la siguiente
fórmula.
𝐶𝑒(𝑧) = 𝑘𝑟2 [𝐶𝑒
2𝑙𝑛2 (
𝑧
𝑧0) + 𝑘𝑟𝐶𝑒𝑙𝑛 (
𝑧
𝑧0)] 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑧 ≥ 𝑧0
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Obteniendo 𝑘𝑟, 𝑧0 y 𝑧𝑚𝑖𝑛 de la tabla 13 de la instrucción, en función del entorno.
Figura 35. Coeficientes según el tipo de entorno. [16]
Al estar el puente situado en un entorno tipo III (zona suburbana, forestal o industrial con
objetos aislados como árboles, construcciones, etc., con una separación máxima de 20 veces
la altura de los obstáculos), los valores que se adoptan son:
- 𝑘𝑟= 0.216, Z0= 0.30 m y Zmin = 5 m.
- Z es la altura del tablero sobre el fondo del valle, 25.56 m.
- 𝐶0 es el factor de topografía, que al estar en un valle que produce encauzamiento del
viento, se toma un valor de 1.1.
- 𝑘𝑙 es el factor de turbulencia, cuyo valor es 1,0.
Por lo tanto, el valor de 𝐶𝑒(𝑧) = 2.71
- Cf,z es el coeficiente de fuerza en la dirección vertical Z, tomando un valor de +-0.9.
- Aref,z es el área en planta del tablero, en m2. Sus dimensiones son 156*0,95 = 148.20
m2
- La densidad del aire se considera 1.25 kg/m3
3. Dirección de viento
El viento se considerará en tres direcciones. En general, la acción del viento en las direcciones
horizontales transversal (perpendicular al eje del tablero) y longitudinal (paralelo al eje del
tablero) no es concomitante. La componente vertical del viento se considerará concomitante
únicamente con la dirección transversal.
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Empuje horizontal del viento en el tablero
Se distinguen dos tipos de empujes horizontales sobre el tablero: transversal (en el eje X) y
longitudinal (en el eje Y).
- Empuje transversal
El empuje transversal por viento se da en la viga longitudinal que sostiene al tablero, en el
tablero de madera laminada encolada tensada, en las péndolas y en el arco del puente, en un
área de referencia Aref que es la longitud total del puente multiplicada por una altura
equivalente heq que va desde la viga longitudinal hasta la sección total del arco.
ℎ𝑒𝑞 = 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 + 𝐹𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎 +𝑐𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑟𝑐𝑜
2= 0.95 + 8 + 0.475 = 9.425 𝑚
Por lo tanto, el área de referencia Aref = 156*9.425 = 1,470.3 m2
El coeficiente de fuerza en esta situación se calcula:
𝑓𝑓,𝑥 = 2,5 − 0,3(𝐵 ℎ𝑒𝑞)⁄
Donde:
𝐵 anchura total del tablero (m)
ℎ𝑒𝑞 anchura equivalente (m) obtenida considerando, además del propio tablero, la altura
de cualquier elemento no estructural que sea totalmente opaco frente al viento o, si se
tiene en cuenta la presencia de la sobrecarga de uso, la altura de ésta, en caso de ser
mas desfavorable.
𝑐𝑓,𝑥 = 2.5 − 0.3 ∗ (12.80
9.425) = 2.09
En cualquier caso, el coeficiente 𝑐𝑓,𝑥está limitado a:
1,3 ≤ 𝑐𝑓,𝑥 ≤ 2,4
Por lo tanto, cumple con la condición
El empuje del viento transversal se calcula:
𝐹𝑤 = [1
2𝜌𝑉𝑏
2(𝑇)] 𝐶𝑒(𝑧)𝐶𝑓𝐴𝑟𝑒𝑓
𝐹𝑤, 𝑥 = (1
2∗ 1.25 ∗ 292) ∗ 2.71 ∗ 0.9 ∗ 156 ∗ 12.80 = 2,559.9 𝑘𝑁
Como se aplicará sobre el área expuesta, se calcula la distribuida:
𝐹𝑤,𝑥 =2,559.9
1,470.3= 1.74 𝑘𝑁/𝑚2
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- Empuje longitudinal
El empuje longitudinal, paralelo al eje del tablero será una fracción del empuje transversal,
producido por un coeficiente reductor.
La fracción del empuje transversal considerada es de un 25% al ser un tablero con elementos
sólidos.
El coeficiente reductor tiene la siguiente expresión:
1 − [7
𝑐𝑒𝑙𝑛 (𝑧𝑧0
) + 7] ∅[𝐿 𝐿(𝑧)⁄ ]
Donde:
𝑐𝑒 factor de topografía
∅[𝐿 𝐿(𝑧)⁄ ] = 0,230 + 0,182 𝑙𝑛[𝐿 𝐿(𝑧)⁄ ]
Siendo: 0 ≤ ∅[𝐿 𝐿(𝑧)⁄ ] ≤ 1
𝐿 longitud sobre la cual actúa el empuje longitudinal (m). se tomará igual a la
longitud total del puente.
𝐿(𝑧) longitud integral de la turbulencia (m) definida por:
𝐿(𝑧) = {
300(𝑍𝑚𝑖𝑛 200)⁄ 𝛼 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑧 < 𝑧𝑚𝑖𝑛
300(𝑍 200)⁄ 𝛼 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑧𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑧 ≤ 200 300 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑧 > 200
𝑍 altura del puente de aplicación del empuje de viento respecto del terreno o de
la cota mínima del nivel de agua bajo el puente (m)
𝑧0, 𝑧𝑚𝑖𝑛 Coeficientes definidos en la tabla 13.
𝛼 coeficiente definido en la tabla 14.
Figura 36. Coeficiente según tipo de entorno. [16]
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L(z) es la longitud de la turbulencia, calculada para el caso de 𝑧𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑧 ≤ 200, siendo Z =
25.56 m.
𝐿(𝑧) = 300 ∗ (𝑧
200)𝛼 = 300 ∗ (
25.56
200)0.61 = 85.53 𝑚
El coeficiente reductor por tanto obtiene el siguiente valor:
1 − [7
1,1 ∗ ln (25.560,30 ) + 7
] ∗ 0.33938 = 0.8
Finalmente, el empuje longitudinal se calcula a continuación:
𝐹𝑤, 𝑦 = 2,559.9 ∗ 0.25 ∗ 0.8 = 511.98 𝑘𝑁
𝐹𝑤, 𝑦 =511.98
156 ∗ 12.80= 0.26 𝑘𝑁/𝑚2
Empuje transversal del viento sobre péndolas
El empuje sobre los elementos que sustentan el tablero se calcula a partir de un nuevo
coeficiente de exposición ce(z), su área de referencia Aref y del coeficiente de fuerza Cf que
depende de la sección de cada elemento, y obtenido de la tabla 15.
Figura 37. Coeficiente de fuerza 𝐶𝑓 para las secciones más habituales. [16]
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Figura 38. Empuje transversal del viento en péndolas
Elemento
estructural B h B/h 𝑪𝒇 𝑪𝒆(𝒛) 𝑽𝒃, 𝒘 𝑨𝒓𝒆𝒇 𝑭𝒚, 𝒘 𝑭𝒚, 𝒘
Péndolas 0,42 3,83 0,11 1,20 2,71 29 3,36 0,32 0,09
Empuje del viento sobre el arco
En el arco solamente se considerará el viento transversal.
Figura 39. Empuje transversal del viento en arco
Elemento
estructural B h B/h 𝑪𝒇 𝑪𝒆(𝒛) 𝑽𝒃, 𝒘 𝑨𝒓𝒆𝒇 𝑭𝒚, 𝒘 𝑭𝒚, 𝒘
Arco 0,40 0,95 0,42 2,2 2,71 29 41,08 7,10 0,17
Efectos aeroelásticos
La acción del viento se asimilará a una carga estática equivalente. Además, según la
instrucción, para un puente de estas características no es necesario considerar los efectos
aeroelásticos definidos en el apartado 4.2.9, dado que la luz (entendida como distancia
horizontal entre ejes de apoyo) es inferior a 80 m.
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4.4.4. Acción térmica
No es preciso considerar el efecto de la temperatura en los elementos estructurales de
madera. Sin embargo, hay que tenerlos en cuenta en otros materiales que pueden formar
parte de la estructura como el acero y el hormigón. Por ejemplo, el efecto del aumento de la
temperatura en una estructura mixta con barras de madera y de acero (normalmente tirantes)
origina generalmente una pérdida de tensión en los tirantes metálicos y un aumento de las
tensiones en las piezas de madera y unos desplazamientos añadidos. [6]
4.4.5. Acciones accidentales (A)
1. Impactos contra sistemas de contención en vehículos
El impacto de un vehículo contra el sistema de contención se asimilará a una carga estática
compuesta por una fuerza horizontal transversal y un momento de eje longitudinal
concomitantes, aplicados en la zona de conexión entre el elemento de contención y la
estructura.
Se tomará para esta acción el valor nominal de las fuerzas y momentos máximos, que facilitará
a estos efectos el fabricante del sistema de contención, determinados mediante cálculos o
ensayos específicos, de acuerdo a la normativa correspondiente. [1]
- Si el sistema de contención actúa absorbiendo energía por deformación plástica
(sistemas deformables), se supondrá actuando una fuerza puntual de 45 kN aplicada a
0,6 m sobre la superficie del pavimento, perpendicularmente al elemento considerado.
- Si el sistema de contención no absorbe energía por deformación plástica propia (sistemas
rígidos), se supondrá actuando una fuerza puntual de 200 kN, aplicada
perpendicularmente al elemento considerado y a una altura igual a la altura útil del mismo.
Esta fuerza se podrá suponer repartida uniformemente, en la base de la barrera de
seguridad, en un ancho de 3 m.
- Simultáneamente se considerará, en todos los casos, una fuerza puntual horizontal de 30
kN, aplicada longitudinalmente a nivel de la superficie del pavimento. [2]
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4.5. Combinación de las acciones
4.5.1. Factores de seguridad
Figura 40. Factores de seguridad en Estado Límite Último. [16]
ACCIÓN EFECTO
Favorable Desfavorable
Permanente de
valor constante
(G)
Peso propio 1,35 1,35
Carga muerta 1,35 1,35
Variable (Q) Sobrecarga de uso 1,5 1,35
Viento 1.5 1.5
Figura 41. Factores de seguridad en Estado Límite de Servicio. [16]
ACCIÓN EFECTO
Favorable Desfavorable
Permanente de valor
constante (G)
Peso propio 1 1
Carga muerta 1 1
Variable (Q)
Sobrecarga de uso 0 1
Sobrecarga de
construcción 0 1
Viento 0 1
Figura 42. Factores de simultaneidad. [16]
Acciones Factores de simultaneidad
Ψ0 Ψ1 Ψ2
Sobrecarga de
uso
Cargas
verticales
Vehículos pesados 0,75 0,75 0
Sobrecarga uniforme 0,4 0,4 0
Carga en aceras 0,4 0,4 0
Viento Fwk En situación persistente 0,6 0,2 0
En construcción 0,8 0 0
Sobrecargas de
construcción Qc 1,0 0 1,0
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4.5.2. Combinación en estado límite último (ELU)
Se ha realizado la comprobación únicamente en situación persistente o transitoria, la cual se
ha hecho de acuerdo a la siguiente expresión (combinación fundamental):
1. Situación persistente o transitoria
∑ 𝛾𝐺,𝑗𝐺𝑘,𝑗 + ∑ 𝛾𝐺,𝑚
𝑚≥1
𝐺𝑘,𝑚∗ + 𝛾𝑄,1𝑄𝑘,1 + ∑ 𝛾𝐺,𝑖
𝑖>1
Ψ0,𝑖𝐺𝑘,𝑖
𝑗≥1
Donde:
𝐺𝑘,𝑗 es el valor característico de la acción permanente (peso propio + carga muerta)
𝐺𝑘,𝑚∗ es el valor característico de la acción permanente de valor no constante, de la
cual no disponemos.
𝑄𝑘,1 es el valor característico de la acción variable dominante.
Se han realizado tantas combinaciones como sea necesario, considerando en cada una de
ellas, una de las acciones variables como dominante y el resto como concomitantes. Así pues,
se tienen las siguientes combinaciones:
𝐸𝐿𝑈1 = 1.35 ∗ (𝑃𝑃 + 𝐶𝑀) + 1.5 ∗ (2𝑄𝑖𝑘 + 𝑞𝑖𝑘) + 1.5 ∗ 0.8 ∗ (𝐹𝑤𝑥 + 𝐹𝑤𝑦)
𝐸𝐿𝑈2 = 1.35 ∗ (𝑃𝑃 + 𝐶𝑀) + 1.5 ∗ (𝐹𝑤𝑥 + 𝐹𝑤𝑦) + 1.5 ∗ (0.75 ∗ 2𝑄𝑖𝑘 + 0.4 ∗ 𝑞𝑖𝑘)
Donde:
PP Peso propio (Dead)
CM Carga muerta
2𝑄𝑖𝑘 Vehículo pesado (300 KN)
𝑞𝑖𝑘 Sobrecarga Uniforme (9KN/m2)
Siendo la acción variable dominante, para cada caso, la sobrecarga uniforme y el vehículo
pesado, el viento, respectivamente.
4.5.3. Combinación en estado límite de servicio (ELS)
En este caso se va a verificar la Combinación frecuente, cuya expresión es la siguiente:
∑ 𝛾𝐺,𝑗𝐺𝑘,𝑗 + ∑ 𝛾𝐺,𝑚
𝑚≥1
𝐺𝑘,𝑚∗ + 𝛾𝑄,1Ψ1,1𝑄𝑘,1 + ∑ 𝛾𝐺,𝑖
𝑖>1
Ψ2,𝑖𝐺𝑘,𝑖
𝑗≥1
Por lo que las combinaciones que obtendremos son:
𝐸𝐿𝑆1 = 1.0 ∗ (𝑃𝑃 + 𝐶𝑀) + 1.0 ∗ (0.75 ∗ 2𝑄𝑖𝑘 + 0.4 ∗ 𝑞𝑖𝑘) + 1.0 ∗ 0 ∗ (𝐹𝑤𝑥 + 𝐹𝑤𝑦)
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𝐸𝐿𝑆2 = 1.0 ∗ (𝑃𝑃 + 𝐶𝑀) + +1.0 ∗ 0.2 ∗ (𝐹𝑤𝑥 + 𝐹𝑤𝑦) + 1.0 ∗ (0 ∗ 2𝑄𝑖𝑘 + 0 ∗ 𝑞𝑖𝑘)
La sobrecarga puntual del tráfico pesado se dispone en cuatro puntos diferentes,
considerándose para cada caso la ubicación más desfavorable.
4.6. Comprobaciones
4.6.1. Estado límite último (ELU)
En el caso de piezas de sección constante, el cálculo ha tensiones se puede hacer según las
fórmulas clásicas de Resistencia de Materiales, salvo en las zonas en las que exista un cambio
brusco de sección o, en general, un cambio brusco del estado tensional.
1. Flexión simple
𝜎𝑚,𝑑 ≤ 𝑓𝑚,𝑑 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (4.1)
Siendo:
𝜎𝑚,𝑑 tensión de cálculo a flexión
𝑓𝑚,𝑑 resistencia de cálculo a flexión.
4. Cortante
Para solicitaciones a cortante con una de las componentes paralela a la dirección de la fibra,
y para solicitaciones de cortante con ambas componentes perpendiculares a la dirección de
la fibra, debe cumplirse la siguiente condición:
𝜏𝑑 ≤ 𝑓𝑣,𝑑 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (4.2)
Siendo:
𝜏𝑑 tensión de cálculo a cortante
𝑓𝑣,𝑑 resistencia de cálculo a cortante (corte paralelo o rodadura). La resistencia a cortante
por rodadura podrá considerarse igual al doble de la resistencia a tracción perpendicular
a la fibra.
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Figura 43. Tensiones de cortadura. a) corte paralelo. b) rodadura [1]
5. Sistema resistente
La resistencia a flexión y a cortante de una placa laminada debe ser calculada como:
𝑓𝑚,𝑑,𝑑𝑒𝑐𝑘 = 𝑘𝑠𝑦𝑠. 𝑓𝑚,𝑑,𝑙𝑎𝑚 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (4.3)
𝑓𝑣,𝑑,𝑑𝑒𝑐𝑘 = 𝑘𝑠𝑦𝑠. 𝑓𝑣,𝑑,𝑙𝑎𝑚 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (4.4)
Donde:
𝑓𝑚,𝑑,𝑙𝑎𝑚 es la resistencia a flexión de diseño de las laminaciones
𝑓𝑣,𝑑,𝑙𝑎𝑚 es la resistencia a cortante de diseño de las laminaciones
𝑘𝑠𝑦𝑠 es el factor de resistencia del sistema (figura 7), debiendo ser usada la línea 1.
𝑛 =𝑏𝑒𝑓
𝑏𝑙𝑎𝑚 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (4.5)
Siendo:
𝑏𝑒𝑓 es el ancho efectivo
𝑏𝑙𝑎𝑚 es el ancho de las laminaciones
El ancho efectivo puede ser determinado mediante un método simplificado que indica la norma
de diseño de estructuras de madera – parte 2: Puentes (EN 1995_2_E_2004). Este método
dice que la placa laminada puede ser reemplazada por una o varias vigas en la dirección de
la laminación con el ancho efectivo 𝑏𝑒𝑓, calculado de la siguiente manera:
𝑏𝑒𝑓 = 𝑏𝑤,𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 + 𝛼 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (4.6)
Donde:
𝑏𝑤,𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 debe ser calculado según la ecuación
𝛼 debe ser tomado de acuerdo a la tabla
Figura 44. Coeficiente 𝛼 en metros para la determinación del ancho efectivo de la viga. [17]
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Sistema de placa de cubierta 𝜶
Placa de cubierta laminada con clavos 0,1
Laminas tensadas o láminas encoladas 0,3
Madera laminada transversalmente 0,5
Estructura de placas compuestas por
madera/hormigón
0,6
Figura 45. Ejemplo de la distribución de momentos a flexión en la placa para la
determinación del ancho efectivo. [17]
4.6.2. Estado límite de servicio (ELS)
1. Valores límite para la deflexión
Para llevar a cabo esta verificación se supondrá las condiciones de carga más desfavorable
tanto para los tableros de madera tensada como para las vigas transversales que sostendrán
a estos tableros.
El rango de valores límite para deflexiones debido a solo cargas de tráfico, para vigas, placas
o armaduras con tramos 𝐿 es dado en la siguiente tabla. El Eurocódigo 5 para puentes de
madera recomienda los valores que están delineados.
Figura 46. Valores límite para deflexiones en vigas, placas y armaduras. [17]
Acción Rango de valores límite
Cargas de tráfico característico L/400 - L/500
Cargas de tráfico bajas y cargas peatonales L/200 - L/400
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Donde L es la distancia entre puntos de inflexión de la deformada para la hipótesis de carga
considerada.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS
En el presente capítulo se presenta los resultados de los análisis del comportamiento de la
estructura frente a las acciones mencionadas en el capítulo 4, utilizando los materiales de
madera laminada encolada para el arco, viga longitudinal y péndolas de acero.
5.1. Combinación en ELU
Se realizó la combinación persistente o transitoria que fue descrita en el apartado 4.5.2.a
𝐸𝐿𝑈1 = 1.35 ∗ (𝑃𝑃 + 𝐶𝑀) + 1.5 ∗ (2𝑄𝑖𝑘 + 𝑞𝑖𝑘) + 1.5 ∗ 0.8 ∗ (𝐹𝑤𝑥 + 𝐹𝑤𝑦)
Carga muerta (CM)
El valor de la carga muerta se detalla en el anejo A.2.
Vehículo pesado (𝟐𝑸𝒊𝒌)
Se realizaron 4 asignaciones de la carga de vehículo pesado (2𝑄𝑖𝑘- 1, 2𝑄𝑖𝑘- 2, 2𝑄𝑖𝑘- 3, 2𝑄𝑖𝑘-
4), como se muestra en la figura 22, para facilidad de las combinaciones que se verán más
adelante. El valor de la carga de 1000 kN se detalla en el anejo A.2.
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Figura 47. Carga de vehículo pesado (2𝑄𝑖𝑘) en el centro luz de la viga longitudinal
Sobrecarga uniforme (𝒒𝒊𝒌)
De la misma manera que el vehículo pesado, se elaboró 4 asignaciones de carga (𝑞𝑖𝑘- 1, 𝑞𝑖𝑘-
2, 𝑞𝑖𝑘- 3, 𝑞𝑖𝑘- 4), como se muestra en la figura 23, con la finalidad de combinar diferentes
casos, los cuales se verán más adelante. El valor de la carga de 35.5 kN/m2 se detalla en el
anejo A.2.
Figura 48. Sobrecarga uniforme (𝒒𝒊𝒌) en cada tramo del arco
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Fuerza de viento (𝑭𝒘𝒚)
El valor de la fuerza de viento transversal está determinado según las tablas 17 y 18 del
apartado 4.4.3, para arco y péndolas respectivamente, que fueron asignadas a las secciones
en el programa SAP como se muestran en la figura 24.
Figura 49. Fuerza de viento transversal (𝐹𝑤𝑦) en arco y péndolas
Casos de carga
Para lograr una adecuada combinación se definió casos de carga en los que se combinan la
sobrecarga uniforme y el vehículo pesado aplicado en diferentes tramos de la viga longitudinal
como se muestra en la figura 25. En total se obtuvieron 7 posibles situaciones de carga en las
que se podría estar cargado el puente durante su tiempo de servicio, las cuáles se muestran
a continuación:
Caso 1
Como se puede observar, el factor
parcial de seguridad es 1 tanto
para el vehículo pesado y para la
sobrecarga uniforme, según la
fórmula de ELU1.
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Figura 50. Caso de carga 1
Caso 2
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Figura 51. Caso de carga 2
Caso 3
Figura 52. Caso de carga 3
Caso 4
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Figura 53. Caso de carga 4
Caso 5
Figura 54. Caso de carga 5
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Caso 6
Figura 55. Caso de carga 6
Caso 7
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Figura 56. Caso de carga 7
Combinaciones ELU
Después de haber definido todos los posibles casos de carga anteriores, se define finalmente
la combinación de ELU1 en situación persistente o transitoria mencionado al inicio de este
capítulo, con los coeficientes parciales de seguridad respectivos. A continuación, se muestran
7 combinaciones en ELU1 ya que se generan una combinación por cada caso.
ELU-1
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ELU-2
ELU-3
ELU-4
Figura 57. Combinación ELU-1
Figura 58. Combinación ELU-2
Figura 59. Combinación ELU-3
Figura 60. Combinación ELU-4
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ELU-5
ELU-6
ELU-7
Figura 61. Combinación ELU-5
Figura 62. Combinación ELU-6
Figura 63. Combinación ELU-7
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Resultado de esfuerzos para ELU-1
Fuerza axial
Figura 64. Fuerzas axiles en Arco, Péndolas y tablero en ELU-1
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Fuerza cortante
Figura 65. Fuerza cortante en Arco y Tablero en ELU-1
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Momentos
Figura 66. Diagrama de momento en Arco y Tablero para ELU-1
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Resultados de esfuerzos para ELU-1-2-3-4-5-6-7
De la misma manera que se ha demostrado los resultados en ELU-1, se resume en la tabla
23 todos los esfuerzos máximos generados por el programa SAP2000, para cada caso
especificado anteriormente.
Figura 67. Valores de los esfuerzos para las combinaciones en ELU1.
ELU1 Fuerza Axial (kN) Cortante (kN) Momento (kN.m)
Arco Tablero Péndolas Arco Tablero Arco Tablero
ELU-1 -5123,11 +3995,08 +574,55 495,63 869,04 1341,19 2056,04
ELU-2 -5132,01 +4000,25 +566,55 497,79 854,79 1341,16 2056,04
ELU-3 -5206,57 +4039,45 +615,44 506,40 873,55 1378,20 2127,42
ELU-4 -5130,41 +4038,58 +615,49 493,03 857,01 1318,70 2124,40
ELU-5 -5172,37 +4036,53 +616,57 499,25 856,64 1273,75 1995,03
ELU-6 -3725,84 +2912,97 +422,08 361,25 645,49 990,65 1481,29
ELU-7 -3872,29 +3000,77 +482,26 375,50 651,88 1035,59 1611,33
Como se puede observar en la tabla 23, los esfuerzos en ELU-2 y ELU-3 por simetría son
similares, y es lo mismo con ELU-1 y ELU-2.
En la gráfica 1 se tiene una gráfica donde se muestran los resultados de los esfuerzos de cada
elemento estructural para todas las combinaciones en ELU1.
Gráfica 1. Resultados comparativos de la combinación ELU1
El Arco tiene un mayor comportamiento a compresión axial en el ELU-2-3-4-5, el cual se
aprecian en las figuras 32,33,34,35 y 36, lo mismo pasa con el tablero que se comporta a
tracción en los mismo estados límite que el arco y las péndolas. En el caso de la cortante se
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Arco Tablero Péndolas Arco Tablero Arco Tablero
Fuerza Axial (kN) Cortante (kN) Momento (kN.m)
Resultados comparativos de la combinación ELU1
ELU-1 ELU-2 ELU-3 ELU-4 ELU-5 ELU-6 ELU-7
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puede apreciar que el tablero es el que tiene un mayor comportamiento frente al arco cuando
se tienen situaciones de carga en dos tramos consecutivos como son en ELU-3-4-5. El
momento flector en el tablero también es más importante que en el arco.
Combinaciones ELU 2
A continuación, se realiza la segunda combinación en estado límite último, ELU2, en donde la
variable concomitante son las cargas variables frente al viento como variable dominante. En
esta combinación solo se presentará las gráficas de lo que se ha definido en SAP2000
siguiendo el mismo procedimiento de la primera combinación ELU1; luego se muestran los
resultados obtenidos mediante gráficas comparativas.
𝑬𝑳𝑼𝟐 = 𝟏. 𝟑𝟓 ∗ (𝑷𝑷 + 𝑪𝑴) + 𝟏. 𝟓 ∗ (𝑭𝒘𝒙 + 𝑭𝒘𝒚) + 𝟏. 𝟓 ∗ (𝟎. 𝟕𝟓 ∗ 𝟐𝑸𝒊𝒌 + 𝟎. 𝟒 ∗ 𝒒𝒊𝒌)
Se definen nuevos casos de carga, con las mismas situaciones de carga presentadas en las
figuras 25-31, pero con diferente factor de seguridad que se requiere para esta segunda
combinación ELU2.
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Después de haber definido todos los posibles casos de carga anteriores, se define finalmente
la combinación de ELU2 en situación persistente o transitoria mencionado al inicio de este
capítulo, con los coeficientes parciales de seguridad respectivos. A continuación, se muestran
7 combinaciones en ELU2 ya que se generan una combinación por cada caso.
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Resultado de esfuerzos para ELU-1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1, 6-1, 7-1
De la misma manera que se ha demostrado los resultados en ELU-1, se resume en la tabla
24 todos los esfuerzos máximos generados por el programa SAP2000, para cada caso
especificado anteriormente.
Figura 68. Valores de los esfuerzos para las combinaciones en ELU2.
ELU2 Fuerza Axial (kN) Cortante (kN) Momento (kN.m)
Arco Tablero Péndolas Arco Tablero Arco Tablero
ELU-1-1 -3743,84 +2921,76 +423,49 371,53 646,29 999,16 1539,77
ELU-2-1 -3737,28 +2923,09 +423,51 371,55 646,32 999,14 1539,78
ELU-3-1 -3802,64 +2953,29 +451,37 360,24 649,62 1023,96 1588,91
ELU-4-1 -3802,74 +2952,08 +451,43 372,19 649,45 1023,93 1588,91
ELU-5-1 -3802,46 +2951,56 +542,56 367,68 637,41 966,39 1494,48
ELU-6-1 -3725,84 +2913,97 +422,06 365,99 645,46 993,60 1517,01
ELU-7-1 -1391,58 +1077,84 +206,81 176,52 366,61 558,25 965,03
Gráfica 2. Resultados comparativos de la combinación ELU2
Cómo se puede observar en la gráfica 2, el arco es el que mayor trabaja a esfuerzo axil en la
mayoria de las combinaciones, menos en la última combinación ELU-7-1 (figura 38), en donde
es esfuerzo axil baja, pero sigue siendo el elemento estructural resistente que predomina
sobre los otros elementos que componen el puente de madera. El comportamiento del tablero
es a tracción como debe ser y tambien produce el mayor momento flector.
Tambien se puede entender en la gráfica que el menor esfuerzo que tienen los elementos
estructurales que componen el puente es cuando estan en una situación completamente
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Arco Tablero Péndolas Arco Tablero Arco Tablero
Fuerza Axial (kN) Cortante (kN) Momento (kN.m)
Resultados comparativos de la combinación ELU2
ELU-1-1 ELU-2-1 ELU-3-1 ELU-4-1 ELU-5-1 ELU-6-1 ELU-7-1
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cargados (ELU-7-1) el cual viene a ser una situación favorable, mientras que en las otras
situaciones de carga es cuando el puente genera mayores esfuerzos.
Envolvente ELU
A continuación se muestran los resultados de la envolvente de los dos estados límite último
anteriormente mostrados.
Resultado de envolvente entre ELU1 y ELU2
Figura 69. Resultado de envolvente entre ELU 1 y ELU 2.
ENV-ELU Fuerza Axial (kN) Cortante (kN) Momento (kN.m)
Arco Tablero Péndolas Arco Tablero Arco Tablero
Máximo -5297,21 +4101,78 +656,02 -509,89 -875,75 +1396,08 +2159,99
Mínimo -1854,44 +1431,51 +201,86 -127,02 -102,83 +215,81 +202,38
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Axial
Figura 70. Valores de axil máximo y mínimo de la envolvente en ELU
Se puede apreciar que el arco trabaja a compresión (valores negativos) mientras que,
el tablero y la péndola trabajan a tracción (valores positivos)
ARCO
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Cortante
Figura 71. Valores máximo y mínimo de la envolvente en ELU a cortante
TABLERO ARCO
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Momento
Figura 72. Valores de momentos máximo y mínimo de la envolvente en ELU
TABLERO ARCO
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5.2. Comprobación ELS
Deflexión en vigas y arco
Figura 73. Valores de la deformación del arco y del tablero
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Figura 74. Vista en 3D de la deformada del puente
El valor más exigente para la flecha es de L/400 (apartado 4.6.2.a), donde L es la luz del puente. Los vanos intermedios tienen una luz de 39
metros, por lo tanto, la flecha máxima en la viga longitudinal está limitada a 97,5 mm y la flecha máxima es de 50,4 mm (Figura 46).
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5.3. Dimensionamiento de viga de madera
El dimensionamiento de la viga se realizó basado en la norma DBSE-M, el esquema
estructural las vigas de madera es muy sencillo, simplemente se trabajan como vigas
biapoyadas o articuladas e interesa más analizar las condiciones del material y el
dimensionamiento de la sección a los distintos estados límite en momento, cortante y
flecha.
5.3.1. Vigas transversales del tablero
Datos:
Clase: Madera GL36h
Propiedades:
𝑓𝑚,𝑔,𝑘 = 36 𝑁 𝑚𝑚2⁄ , Resistencia a flexión característica (tabla 4)
𝑓𝑣,𝑔,𝑘 = 4.3 𝑁 𝑚𝑚2⁄ , Resistencia a cortante característica (tabla 4)
𝐸0,𝑔,𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 14.7 𝐾𝑁 𝑚𝑚2⁄ , Módulo de elasticidad paralelo medio (tabla 4)
Factor de seguridad del material:
𝛾𝑀 = 1.25 , para madera laminada encolada (tabla 6)
Factor de modificación:
𝑘𝑚𝑜𝑑 = 0.80, Para madera laminada encolad, con una clase de servicio 3 y una duración
de la carga media (tabla 7)
a. Resistencias de cálculo (ver ecuación 2.2)
𝑓𝑚,𝑑 = 𝑘𝑚𝑜𝑑𝑓𝑚,𝑔,𝑘
𝛾𝑀= 0.80 ∗
36
1.25= 23.04 𝑁 𝑚𝑚2⁄ , resistencia a flexión de cálculo (5.1)
𝑓𝑣,𝑑 = 𝑘𝑚𝑜𝑑𝑓𝑣,𝑔,𝑘
𝛾𝑀= 0.80 ∗
4.3
1.25= 2.75 𝑁 𝑚𝑚2⁄ , resistencia a cortante de cálculo (5.1)
b. ELU flexión simple (ver ecuación 4.1)
𝜎𝑚,𝑑 ≤ 𝑓𝑚,𝑑 , 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝜎𝑚,𝑑 = 𝑀𝑚ax
𝑊∗ 𝛾𝑄
𝑀𝑚ax = 2159.99 𝑘𝑁. 𝑚 , momento máximo en ELU (figura 45)
𝑊 ≥𝑀𝑚ax ∗ 𝛾𝑄
𝑓𝑚,𝑑=
2159.99 ∗ 102 ∗ 1.5
23.0410
= 140.624 𝑐𝑚3 ≅ 0.1406 𝑚3
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𝑊 =𝐼
ℎ/2, 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝐼 𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎 𝑦 ℎ 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Considerando una sección de 𝑏 = 0.55 𝑚 𝑦 ℎ = 0.95 𝑚 la inercia es 𝐼 = 0.039296 𝑚4 y 𝑊 =
0.082729 𝑚3. Como el módulo resistente para esta sección es menor que el módulo
resistente necesario, se tiene que aumentar la sección.
Considerando una sección de 𝑏 = 0.80 𝑚 𝑦 ℎ = 1.10 𝑚 la inercia es 𝐼 = 0.088733𝑚4 y 𝑊 =
0.161 𝑚3. El módulo resistente para esta sección es mayor que el módulo resistente
necesario, por lo tanto, la sección elegida cumple a flexión simple.
𝜎𝑚,𝑑 =2159.99
0.161∗ 1.5 = 20124.1 𝐾𝑁 𝑚2⁄ ≅ 20.12 𝑁 𝑚𝑚2⁄
𝜎𝑚,𝑑 ≤ 𝑓𝑚,𝑑
20.12 𝑁 𝑚𝑚2⁄ ≤ 23.04 𝑁 𝑚𝑚2⁄
La relación entra ambos módulos resistentes es: 0.140
0.161∗ 100 = 86%, lo que quiere decir que
la viga transversal trabaja en un 86% su capacidad resistente de la sección.
c. ELU cortante (ver ecuación 4.2)
𝜏𝑑 ≤ 𝑓𝑣,𝑑 , 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝜏𝑑 = 𝑉𝑚ax
𝐴∗ 𝛾𝑄
𝑉𝑚ax = 875.75 𝑘𝑁 , cortante máximo en ELU (figura 44)
𝐴 = 0.80 ∗ 1.10 = 0.88 𝑚2, area de la sección elegia.
𝜏𝑑 = 875.75
0.88∗ 1.5 = 1492.6 𝐾𝑁 𝑚2⁄ ≅ 1,49 𝑁 𝑚𝑚2⁄ ,
Por lo tanto, se debe cumplir que:
𝜏𝑑 ≤ 𝑓𝑣,𝑑
1,49 𝑁 𝑚𝑚2⁄ , ≤ 2.75 𝑁 𝑚𝑚2 ⁄
La relación entra ambos cortantes es: 1.49
2.75∗ 100 = 54.18%, lo que quiere decir que la viga
transversal trabaja en un 54% su capacidad resistente de la sección.
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5.3.2. Verificación de esfuerzos a tracción en vigas longitudinales
Resistencia a tracción de cálculo
𝑓𝑡,𝑑 = 𝑘𝑚𝑜𝑑𝑓𝑡,𝑔,𝑘
𝛾𝑀= 0.80 ∗
26
1.25= 16.64 𝑁 𝑚𝑚2⁄ , resistencia a tracción de cálculo (5.1)
Se debe cumplir que:
𝜎𝑡,𝑑 ≤ 𝑓𝑡,𝑑
𝜎𝑡,𝑑 =4101.766 𝑘𝑁
0.8𝑥1.10= 9322.2 𝑘𝑁𝑚2 ≅ 93.22 𝑁/𝑚𝑚2
93.22 N/mm2 ≤ 16.64 N/mm2 … … … … … No cumple
Por lo tanto, se tiene que cambiar a las vigas longitudinales por elementos de acero.
La secciónes sobre T son las más adecuada.
a. Dimensionamiento y diseño
S235
E=1 (coeficiente de Euler)
Fy= 235 N/mm2
a.1. ELU-Axil:
Ned = 4101.776 kN (esfuerzo a tracción de la viga longitudinal del tablero)
Se tiene que comprobar que: 𝑁𝐸𝑑 ≤ 𝑁𝑐,𝑅𝑑
𝑁𝑐,𝑅𝑑 =𝐴. 𝐹𝑦
𝛾𝑀0
𝐴 ≥𝑁𝐸𝑑 . 𝛾𝑀0
𝐹𝑦
𝐴 ≥4102 ∗ 103 ∗ 1
235 ∗ 102
𝐴 ≥ 174.55 𝑐𝑚2
Probamos con un perfil HEB 360, con un área total de A=180.6 cm2
a.2. Resistencia a flexión:
Med = 2160 kN.m (esfuerzo a tracción de la viga longitudinal del tablero)
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Se tiene que comprobar que: 𝑀𝐸𝑑 ≤ 𝑀𝑐,𝑅𝑑
𝑀𝑐,𝑅𝑑 =𝑊𝑝𝑙 ∗ 𝐹𝑦
𝛾𝑀0
𝑀𝑐,𝑅𝑑 =2683.2 ∗ 235
1
𝑀𝑐,𝑅𝑑 = 630.552 𝑘𝑁. 𝑚
Se debe cumplir que;
2160 𝑘𝑁. 𝑚 ≤ 630.552 𝑘𝑁. 𝑚 … … … . . 𝑁𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒!
Por lo tanto, se cambiará de perfil a un HEB 600, cuya área de es de 270 cm2 y 𝑊𝑝𝑙𝑦 =
6425.4 𝑐𝑚3 y además se cambiará a resistencia del acero a fy=355 N/mm2.
Con estas características se comprueba nuevamente a flexión.
𝑀𝑐,𝑅𝑑 =6425.4 ∗ 355
1
𝑀𝑐,𝑅𝑑 = 2281.02 𝑘𝑁. 𝑚
2160 𝑘𝑁. 𝑚 ≤ 2281.02 𝑘𝑁. 𝑚 … … … . . 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒!
a.3. ELU cortante:
Ved = 875.753 kN
Se tiene que comprobar que: 𝑉𝐸𝑑 ≤ 𝑉𝑐,𝑅𝑑
𝑉𝑝𝑙,𝑅𝑑 =𝐴𝑣(𝐹𝑦/√3)
𝛾𝑀0
El área a cortante del perfil HEB 600 es: Av = 110.82 cm2
𝑉𝑝𝑙,𝑅𝑑 =110.82(355/√3)
1
𝑉𝑝𝑙,𝑅𝑑 = 2271.36 𝑘𝑁
Se debe cumplir que:
875.753 𝑘𝑁 ≤ 2,271.36 𝑘𝑁 … … . . 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒!
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a.4. Perfil sometido a tracción - flexión:
𝜎𝑑 =𝑁𝑑
𝐴+
𝑀𝑑
𝑊≤ 𝑓𝑦𝑑 = 355 𝑀𝑝𝑎
𝑁𝑑 = 4102 𝑘𝑁
𝑀𝑑 = 2160 𝑘𝑁. 𝑚
Suponiendo el perfil HEM 600:
𝑊𝑒𝑙 = 5702 𝑐𝑚3
𝑊𝑝𝑙 = 6425 𝑐𝑚3
𝐴 = 270 𝑐𝑚2
𝐴𝑣 = 110.82 𝑐𝑚2
𝜎𝑑 =4102
270/10000+
2160
6425/106= 151.9 𝑀𝑝𝑎 + 336.2 𝑀𝑝𝑎 = 488 𝑀𝑝𝑎
𝜎𝑑 ≤ 𝑓𝑦𝑑
488 𝑀𝑝𝑎 ≤ 355 𝑀𝑝𝑎 … … 𝑛𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒!
Se prueba con otro perfil: HEB 850
𝐴 = 334.2 𝑐𝑚2
𝑊𝑒𝑙 = 8980 𝑐𝑚3
𝐴𝑣 = 800 ∗ 17.5 = 140 𝑐𝑚2
𝜎𝑑 =4102
334.2/10000+
2160
8980/106= 122.7 𝑀𝑝𝑎 + 240.53 𝑀𝑝𝑎 = 363.23 𝑀𝑝𝑎
𝜎𝑑 ≤ 𝑓𝑦𝑑
363 𝑀𝑝𝑎 ≤ 355 𝑀𝑝𝑎 … … 𝑛𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒!
Se prueba con otro perfil: HEB 1000
𝐴 = 400 𝑐𝑚2
𝑊𝑒𝑙 = 12890 𝑐𝑚3
𝐴𝑣 = 1000 ∗ 19 = 190 𝑐𝑚2
𝜎𝑑 =4102
400/10000+
2160
12890/106= 102.55 𝑀𝑝𝑎 + 167.57 𝑀𝑝𝑎 = 270.12 𝑀𝑝𝑎
𝜎𝑑 ≤ 𝑓𝑦𝑑
270.12 𝑀𝑝𝑎 ≤ 355 𝑀𝑝𝑎 … … 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒!
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a.4. Iteracción flexión - cortante:
Criterio de Von Mises
𝜎𝑐𝑜 = √𝜎2 + 3. 𝜏2 ≤ 𝑓𝑦𝑑
𝜏 =𝑉𝑑
𝐴𝑣=
0.876
190= 46 𝑀𝑝𝑎
𝜎𝑐𝑜 = √270.22 + 3 ∗ 462 ≤ 𝑓𝑦𝑑
𝜎𝑐𝑜 = 281.70 𝑀𝑝𝑎 ≤ 𝑓𝑦𝑑 = 355 𝑀𝑝𝑎 … … … 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒!
Por lo tanto, el dimensionamiento de la viga longitudinal del tablero corresponde a un perfil
HEB 1000.
5.3.3. Verificación de las dimensiones del Arco
Ned = 5297.207 kN
Propiedades:
𝑓𝑐,𝑔,𝑘 = 31 𝑁 𝑚𝑚2⁄ , Resistencia a compresión característica (tabla 4)
Factor de seguridad del material:
𝛾𝑀 = 1.25 , para madera laminada encolada (tabla 6)
Factor de modificación:
𝑘𝑚𝑜𝑑 = 0.80, Para madera laminada encolada, con una clase de servicio 3 y una duración
de la carga media (tabla 7)
a. Resistencias de cálculo (ver ecuación 2.2)
𝑓𝑡,𝑑 = 𝑘𝑚𝑜𝑑𝑓𝑚,𝑔,𝑘
𝛾𝑀= 0.80 ∗
31
1.25= 1984 𝑘𝑁 , resistencia a compresión de cálculo (5.1)
Se debe cumplir que:
𝜎𝑐,𝑑 ≤ 𝑓𝑐,𝑑
5297 kN ≤ 1984 𝑘𝑁 … … … . 𝑁𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
Por lo tanto se tiene que dimensionar la sección del arco:
𝜎𝑐,𝑑 = 𝑃
𝐴=
5297 𝑘𝑁
𝐴≤ 1984 𝑘𝑁 → 𝐴 ≥ 2.66 𝑚2, por lo tanto la sección del arco puede ser
de 1.5 x 1.8 m como mínimo con un área total de A= 2.7 cm2
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5.3.4. Verificación de las dimensiones de las péndolas
La tracción de las péndolas tiene un valor de 656 kN, como se muestra en la siguiente
figura
Figura 75.Esfuerzo máximo a tracción de la péndola
Diámetro de la péndola se consideró de 60 mm
𝜎𝑐,𝑑 = 656 𝑘𝑁
0.002827 𝑚2= 232013 𝑘𝑁/𝑚2
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CAPÍTULO 6. EMISIONES DE CO2
6.1. Introducción
El cambio climático se ha convertido en uno de los principales problemas ambientales del
planeta, muchos países europeos aun ven al cambio climático como la mayor amenaza
para su población. España es uno de los países que tiene mucho por hacer en cuanto al
uso de la energía, en ese sentido, las acciones para optimizar los consumos energéticos
son un paso necesario y esencial para empezar a mitigar las emisiones de gases efecto
invernadero (GEI).[18]
Para que un producto se desarrolle de manera sostenible se debe implicar en la toma de
medidas concretas, coherentes y comprometidas que sean eficientes en procesos
productivos, en hábitos empresariales y por supuesto personales con el fin de ser partícipes
de la responsabilidad ambiental.[7]
La huella de carbono de una empresa o producto describe la cantidad total de emisiones
de GEI causadas directa o indirectamente por su actividad. Su cálculo es el primer paso
hacia el compromiso y responsabilidad ambiental de las empresas, el siguiente paso
vendría a ser las medidas para reducir las mismas[9].Esto es muy importante ya que nos
genera un beneficio ambiental frente al cambio climático.
En este capítulo se intentará dar un enfoque ambiental a la utilización de la madera como
materia prima principal de un proyecto de puentes desde el punto de vista sostenible
utilizando indicadores como la huella de carbono.
6.2. La madera y la reducción de CO2
Hay dos maneras de reducir el CO2 de la atmósfera: la primera es reduciendo las
emisiones de CO2 y la segunda es almacenando CO2; lo que se reduce son las fuentes
de carbono y lo que se aumenta son los llamados sumideros de carbono y para hacer eso
la madera tiene una única capacidad de hacer ambas cosas[9].
Reducir las fuentes de carbono
Minimización del uso de energía
la madera es el único material de construcción que requiere tan poca energía para su
producción. Por la fotosíntesis, los árboles pueden absorber el CO2 presente en el aire y
combinarlo con agua obtenida del suelo para producir la madera.[9]
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Figura 76. El efecto de la fotosíntesis en el crecimiento de los arboles[9]
Sustitución por otros materiales
El proceso de transformación de la madera no es solamente eficaz desde el punto de vista
energético, que proporciona una baja emisión de huella de carbono, sino que también la
madera puede ser sustituido por otros materiales como el acero, aluminio, hormigón o
plásticos los cuáles si requieren grandes cantidades de energía en su elaboración.
Cada metro cúbico de madera usado como sustituto de otros materiales de construcción,
reduce las emisiones de CO2 a la atmósfera en una media de 1,1 t de CO2. Si se añade a
este valor las 0,9 t de CO2 almacenadas en la madera, cada metro cúbico de madera
ahorra un total de 2 t de CO2. [9]
6.2.1. Aumento de los sumideros de carbono
El ciclo del carbono
El carbono se encuentra presente mayormente en la atmósfera. Este carbono se
intercambia continuamente con los diferentes fuentes y sumideros de carbono en un
proceso llamado el ciclo del carbono, lo que comúnmente se conoce como sumideros de
dióxido de carbono. Es decir; que son capaces de absorber el CO2 y por lo tanto reducir la
concentración en la atmósfera.
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Figura 77. Equilibrio Global del carbono[9]
Bosques como sumideros de carbono
Se estima que la totalidad del carbono almacenado en los bosques europeos es de 9,552
millones de t C, con un aumento anual de 115,83 millones de t C. [9]
Los bosques son los sumideros de carbono más eficientes en estado natural. Existen
árboles jóvenes que absorben más CO2 que los árboles maduros y cuando estos mueren
devuelven el almacenamiento de CO2 a la atmósfera, mientras que la mayor parte del CO2
de los árboles cortados en un bosque gestionado sigue almacenada durante toda su vida
útil.
Figura 78. Reserva de carbono en la biomasa de madera en los bosques europeos[9]
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6.3. Emisiones de CO2 en madera estructural
La madera procede de bosques donde se realiza una gestión sostenible que están
acreditadas y constantemente controladas internacionalmente que favorecen la
supervivencia de los bosques y sumideros naturales de CO2. Los árboles más jóvenes
absorben más CO2 que los maduros, los cuáles finalmente se mueren y se pudren,
devolviendo su almacenamiento de CO2 a la atmósfera, mientras que la mayor parte del
CO2 de los árboles cortados en un bosque gestionado sigue almacenada a lo largo de la
vida útil del producto de madera más resultante.[19]
6.4. Los productos de madera y su papel en el almacenamiento de CO2
Los productos de madera juegan un papel importante en la mejora de la eficacia de los
sumideros forestales; es decir, que extiende el periodo en el que el CO2 atrapado en los
bosques se mantiene fuera de la atmósfera. Este almacenamiento de los productos de
madera ayuda a la reducción de gases del efecto invernadero. Por ejemplo, en un metro
cúbico de madera se pueden tener almacenadas 0.9 t de CO2 y se podrían quedar dentro
de la madera sin ser liberadas en el tiempo inicial en que la madera se somete a procesos
de reutilización e inclusive todavía en el reciclaje. [9]
De manera general, el tiempo que permanezca el CO2 almacenado en la madera ayuda a
reducir el CO2 en la atmósfera, de esta manera el uso de la madera es efectivos para
reducir el cambio climático.
6.5. Huella de carbono
La huella de carbono en el proceso de transformación de la madera es menor en
comparación con otros materiales como son el acero o el hormigón. Esto se debe a que se
requiere de menos energía. La madera es un material natural, renovable, reciclable y
reutilizable que sigue absorbiendo y almacenando el CO2 de la atmósfera incluso después
de haberse construido un puente, por lo tanto, se podría decir que la madera tiene la virtud
de aunar ambas capacidades.[19]
Figura 79. Consumo de energía y emisiones de CO2 aproximadas de una estructura. [19]
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En cálculo de la huella de carbono surge del análisis de ciclo de vida, que consiste en un
sistema de entradas y salidas, conocido como inventarios, que incluye materiales,
procesos, transporte, energía, uso y un escenario de disposición final de desechos, con su
respectivo tratamiento. El total de las emisiones generada en cada categoría se divide por
la unidad de producto.
Figura 80. Diagrama de cálculo de emisiones para el análisis de ciclo de vida.[9]
6.6. Caso de puente arco de madera laminada encolada
Para determinar las emisiones de CO2 del puente de madera, se tiene que identificar la
materia prima utilizada y las fuentes de emisión asociadas a todas las etapas del proceso:
ℎ𝑢𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 = (𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜) 𝑥 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛
6.6.1. Emisiones generadas por el transporte
Factor de emisión: gasolina de 2708 kgCO2/l
Actividad: un avión utiliza aproximadamente 4 litros por cada segundo,
considerando 40 horas de vuelo, se tiene 144000 segundos, por lo tanto, se
consumen 576000 litros de gasolina
𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 576000 𝑥 2708 = 1559808000 𝑘𝑔𝐶𝑂2
6.6.2. Emisiones generadas consumo eléctrico
Factor de emisión: gas natural 48.20 GJ/t, 1 GJ = 277.78 Kwh, entonces se tiene
13389 KWh
Actividad: 1 m3 de madera emite 0.9 t de CO2, en el proyecto existe 692.974 m3
de madera por lo que se tiene 623.677 t que es lo mismo 623677000 kg. de
CO2/Kwh
𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 = 623677000 𝑥 277.78 = 173245000000 𝑘𝑔 𝑑𝑒𝐶𝑂2
6.6.3. Emisiones generadas la madera
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Factor de emisión: la madera absorbe 9000kg de Co2/m3
Actividad: En el proyecto existe 692.974 m3
𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 = 692.974 𝑥 9000 = 6236770 𝑘𝑔 𝑑𝑒𝐶𝑂2
Figura 81. Resumen de las emisiones de C02 de cada material
Emisiones (kg de CO2 eq) Madera Acero
Transporte 1559808000 2339712000
Consumo eléctrico 1,73245E+11 2,59868E+11
Madera 6236770 3118385
Total 1,74811E+11 2,6221E+11
Gráfica 3. Emisiones en kg de CO2 de la madera y el acero.
Un estudio francés compara las vigas para la construcción de madera con las de hormigón,
acero y aluminio ilustrando claramente la diferencia entre la madera neutral en CO2
(absorbente) y sus alternativas productoras de CO2.[9]
Figura 82. Comparativa entre vigas de madera con otros materiales[9]
Beneficios de la construcción en madera
1,74811E+11
2,6221E+11
Madera Acero
Emis
ion
es
(Kg
de
CO
2 e
q)
Materiales estructurales
Emisiones de CO2
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La construcción con madera se caracteriza típicamente por una combinación de diferentes
materiales en múltiples capas que trabajan de forma conjunta como un solo sistema para
proporcionar unas óptimas propiedades de estabilidad, aislamiento térmico, acústico y de
humedad, seguridad contra el fuego y conservación de la madera
‘’la construcción con madera forma parte de la construcción energéticamente eficiente del
futuro. La madera es sostenible, neutral en CO2 y un aislante altamente eficaz, creando
unas excelentes condiciones de vida. Una ventaja específica de la madera es su capacidad
para reducir el uso de la energía. Si consideramos la creciente importancia de los métodos
de construcción energéticamente eficientes, la construcción en madera tendrá un papel
cada vez más importante en el futuro.’’[9]
CAPITULO 7. PRESUPUESTO
7.1. Introducción
La evaluación del presupuesto se realizó basándose en las mediciones de la
superestructura del puente de madera, considerando las partidas principales que
finalmente se agruparon en tres: Arco, tablero y elementos auxiliares. Los costos de la
madera laminada encolada fueron actualizados y facilitados por la empresa Moelven,
mientras que los otros precios son referenciales según estudios de proyectos reales y
fueron obtenidos de las siguientes fuentes [20],[21],[22] y [23].
El presupuesto de la superestructura mixta de acero y hormigón se desarrolló teniendo en
cuenta las medidas reales del puente y los cuáles de muestran en el plano 3, para este
caso se determinó también el presupuesto a nivel de superestructura para poder comparar
con los precios en madera; es decir en Arco, tablero y elementos auxiliares.
En ninguno de los dos presupuestos se ha considerado partidas más pequeñas ni de
infraestructura ya que para este trabajo se limitó desde un principio el material de madera
en la superestructura, y en ese sentido no se realizó análisis en pilas, cimentaciones y
estribos.
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5.2. Mediciones
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 01 ARCO
Sección 01 Arco 0,7x1,0 m2
Número Código Unidades Descripción
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
Medición directa 242,14
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 01 ARCO
Sección 02 Viga Transversal 0,25x0,40 m2
Número Código Unidades Descripción
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
Medición directa 25,60
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 01 Arco
Sección 03 Viga Arriostre 0,20x0,30 m2
Número Código Unidades Descripción
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
Medición directa 13,15
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 01 Viga Longitudinal 0,8x1,1 m2
Número Código Unidades Descripción
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
Medición directa 274,56
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Mediciones
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 02 Viga Transversal 0,30x0,55 m2
Número Código Unidades Descripción
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
Medición directa 126,72
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 03 Viga Arriostre 0,20x0,30 m2
Número Código Unidades Descripción
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
Medición directa 13,15
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 04 Barandillas h = 1,40 m
Número Código Unidades Descripción
01 E89Z0372 Und Barandilla de madera aserrada de pino de 1.40 m de altura clase resistente C.18 según DBSE-M, con protección frente a agentes bióticos, con acabado cepillado. Terminada y colocada.
Medición directa 2
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 03 Tratamiento de madera
Sección 01 Arco, viga L., viga T., viga A. y barandillas
Número Código Unidades Descripción
01 K9QAU010 m3 Protección de la madera con creosota para que no se pudran
Medición directa 692,97
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
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Mediciones Elemento estructural 04 TIRANTES
Sección 01 Péndolas φ = 60 mm, de diámetro
Número Código Unidades Descripción
01 I12AG132 kg Barras de acero inoxidable laminado en caliente de alta resistencia
Medición directa 2114,64
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 04 TIRANTES
Sección 02 Anclaje de péndolas
Número Código Unidades Descripción
01 R67YTF835 Und Anclaje de péndolas, resto de la obra y materiales
Medición directa 176
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 04 TIRANTES
Sección 03 Equipo de tesado
Número Código Unidades Descripción
01 DR589J2T h Equipo de tesado compuesto por gato de tesado compuesto, para anclajes permanentes.
Medición directa 8
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 05 PLATAFORMA
Sección 01 Forjado de losa mixta
Número Código Unidades Descripción
01 JY3Lk769 m3 Forjado de losa mixta con chapa colaborante de hormigón armado HA-30/20/IIa de 20 cm de espesor
Medición directa 399,36
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5.3. Cuadro de Precios 1
Número Código Und Descripción Precio
P - 1 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h y protección frente a agentes bióticos. El precio incluye el transporte hasta el área de almacenamiento y ensamblaje si es deseado. (MIL NOVECIENTOS VEINTICINCO EUROS)
1.9250,00 Є
P - 2 E89Z0372 Und Barandilla de madera aserrada de pino de 1.40 m de altura clase resistente C.18 según DBSE-M, con protección frente a agentes bióticos, con acabado cepillado. Terminada y colocada. (TRES MIL OCHOCIENTOS SESENTA Y TRES EUROS)
3.863,00 Є
P - 3 K9QAU010 m3 Protección de la madera con creosota para que no se pudran (DOSCIENTOS VEINTE EUROS)
220,00 Є
P - 4 I12AG132 kg Barras de acero inoxidable laminado en caliente de alta resistencia (DOCE EUROS CON CINCUENTA CÉNTIMOS)
12,50 Є
P - 5 R67YTF83 Und Anclaje de péndolas, resto de la obra y materiales (CUATROCIENTOS CINCUENTA Y DOS EUROS CON TREINTA Y DOS CÉNTIMOS)
452,32 Є
P - 6 DR589J2T h Equipo de tesado compuesto por gato de tesado compuesto, para anclajes permanentes. (CIENTO DOCE EUROS)
112,00 Є
P - 7 JY3Lk769 m3 Forjado de losa mixta con chapa colaborante de hormigón armado HA-30/20/IIa de 20 cm de espesor (CIENTO UN EUROS CON UN CÉNTIMO)
101,01 Є
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5.4. Cuadro de Precios 2
Número Código Und Descripción Precio
P - 1 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h y SIN protección frente a agentes bióticos. El precio incluye el transporte hasta el área de almacenamiento y ensamblaje si es deseado. (MIL SETECIENTOS CINCO EUROS)
1.7050,00 Є
P - 2 E89Z0372 Und Barandilla de madera aserrada de pino de 1.40 m de altura clase resistente C.18 según DBSE-M, con protección frente a agentes bióticos, con acabado cepillado. Terminada y colocada. (TRES MIL OCHOCIENTOS SESENTA Y TRES EUROS)
3.863,00 Є
P - 3 K9QAU010 m3 Protección de la madera con creosota para que no se pudran (DOSCIENTOS VEINTE EUROS)
220,00 Є
P - 4 I12AG132 kg Barras de acero inoxidable laminado en caliente de alta resistencia (DOCE EUROS CON CINCUENTA CÉNTIMOS)
12,50 Є
P - 5 R67YTF83 Und Anclaje de péndolas, resto de la obra y materiales (CUATROCIENTOS CINCUENTA Y DOS EUROS CON TREINTA Y DOS CÉNTIMOS)
452,32 Є
P - 6 DR589J2T h Equipo de tesado compuesto por gato de tesado compuesto, para anclajes permanentes. (CIENTO DOCE EUROS)
112,00 Є
P - 7 JY3Lk769 m3 Losa colaborante de hormigón armado HA-30/20/IIa de 20 cm de espesor (CIENTO UN EUROS CON UN CÉNTIMO)
101,01 Є
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5.5. Presupuesto
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 01 ARCO
Sección 01 Arco 0,7x1,0 m2
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
1 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
19.250,00 242,14 4,661.118,00
TOTAL Ítem 07.01.01 4,661.118,00
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 01 ARCO
Sección 02 Viga Transversal 0,25x0,40 m2
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
1 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
19.250,00 25,6 492.800,00
TOTAL Ítem 07.01.02 492.800,00
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 01 ARCO
Sección 03 Viga Arriostre 0,20x0,30 m2
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de
19.250,00 13,15 253.120,18
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Presupuesto pino, con una clasificación tipo GL36h
TOTAL Ítem 07.01.03 253.120,18
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 01 Viga Longitudinal 0,8x1,1 m2
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
19.250,00 274,56 5.285.280,00
TOTAL Ítem 07.02.01 5.285.280,00
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 02 Viga Transversal 0,30x0,55 m2
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
19.250,00 126,72 2.439.360,00
TOTAL Ítem 07.02.02 2.439.360,00
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 03 Viga Arriostre 0,20x0,30 m2
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
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Presupuesto
01 G44ZAA25 m3 Madera laminada encolada homogénea según el DBSE-M, de pino, con una clasificación tipo GL36h
19.250,00 13,15 253.120,18
TOTAL Ítem 07.02.03 253.120,18
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 02 TABLERO
Sección 04 Barandillas h = 1,40 m
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 E89Z0372 Und Barandilla de madera aserrada de pino de 1.40 m de altura clase resistente C.18 según DBSE-M, con protección frente a agentes bióticos, con acabado cepillado. Terminada y colocada
3.863,00 2 7.726,00
TOTAL Ítem 07.02.04 7.726,00
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 03 Tratamiento de madera
Sección 01 Arco, viga L., viga T., viga A. y barandillas
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 K9QAU010 m3 Protección de la madera con creosota para que no se pudran
220,00 692,97 152.454,28
TOTAL Ítem 07.03.01 152.454,28
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 04 TIRANTES
Sección 01 Péndolas φ = 60 mm, de diámetro
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Presupuesto
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 I12AG132 kg Barras de acero inoxidable laminado en caliente de alta resistencia
12,50 2.114,64 26.433,00
TOTAL Ítem 07.04.01 26.433,00
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 04 TIRANTES
Sección 02 Anclaje de péndolas
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 R67YTF83 Und Anclaje de péndolas, resto de la obra y materiales
452,32 176,00 79.608,32
TOTAL Ítem 07.04.02 79.608,32
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 04 TIRANTES
Sección 03 Equipo de tesado
Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 R67YTF83 Und Equipo de tesado compuesto por gato de tesado compuesto, para anclajes permanentes.
112,00 8,00 896,00
TOTAL Ítem 07.04.03 896,00
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Elemento estructural 05 PLATAFORMA
Sección 01 Forjado de losa mixta
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Número Código Unidades Descripción Precio Medición Importe
01 JY43Lk769 m3 Forjado de losa mixta con chapa colaborante de hormigón armado HA-30/20/IIa de 20 cm de espesor
101,01 399,36 40.339,35
TOTAL Ítem 07.04.03 40.339,35
Resumen de presupuesto
Título TFM Estudio de Viabilidad de Estructuras de Madera para Infraestructuras de Transporte
Capítulo 7 07 PRESUPUESTO
Item Descripción Importe
07.01.01 Arco 0,7x1,0 m2 4,661.118,00
07.01.02 (Arco) Viga Transversal 0,25x0,40 m2 492.800,00
07.01.03 (Arco) Viga Arriostre 0,20x0,30 m2 253.120,18
07.02.01 (Tablero) Viga Longitudinal 0,8x1,1 m2 5.285.280,00
07.02.02 (Tablero) Viga Transversal 0,30x0,55 m2 2.439.360,00
07.02.03 (Tablero) Viga Arriostre 0,20x0,30 m2 253.120,18
07.02.04 Barandillas h = 1,40 m 7.726,00
07.03.01 Tratamiento de madera 152.454,28
07.04.01 Péndolas φ = 60 mm, de diámetro 26.433,00
07.04.02 Anclaje de péndolas 79.608,32
07.04.03 Equipo de tesado 896,00
07.05.01 Forjado de losa mixta 40.339,35
PRESUPUESTO TOTAL 13.692.255,30
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Presupuesto por elemento estructural
Item Descripción Importe
07.01.01 Arco 38.916.447,19
07.02.01 Tablero 22.924.775,23
07.02.04 Elementos auxiliares 1.602.705,60
PRESUPUESTO TOTAL 63.443.928,02
Última hoja
PRESUPUESTO DE EJECUCIÓN MATERIAL (PEM) 63.443.928,02
Beneficio industrial (6%) sobre 63.443.928,02 3.806.635,68
Gastos generales (13%) sobre 63.443.928,02 8.247.710,64
PRESUPUESTO DE EJECUCIÓN POR CONTRATA 75.498.274,34
IVA(21%) sobre 75.498.274,34 15.854.637,61
TOTAL PRESUPUESTO DE EJECUCIÓN POR CONTRATA CON IVA INCLUIDO 91.352.911,96
Figura 83. Presupuesto comparativo por elemento estructural del puente
Elemento estructural Costos €
Madera Acero
Arco 38.916.447,19 28.429.893,45
Tablero 22.924.775,23 27.130.628,10
Elementos auxiliares 1.602.705,60 2.223.159,90
Total 63.443.928,02 57.783.681,45
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Gráfica 4. Comparativo presupuestal entre los elementos estructurales según el material
7.8. Ratio
El área total construida del puente, medida en planta, es de 1996.8 m2, de los cuáles
1826.88 m2 son de área construida en madera, lo cual representa el 91% del total del
puente. A continuación, se muestra una gráfica de ratio (Є/m2) comparativo entre el puente
de madera y el puente original de acero ubicado en Sant Andreu de la Vola.
Gráfica 5. Puente Original (Acero) vs. Puente de madera
Este ratio comparativo es una aproximación ya que el ratio del puente original (Acero)
incluye las cimentaciones, mientras que en el ratio del puente de madera solamente la
componen los elementos estructurales como el Arco y el Tablero con sus respectivas vigas
transversales y de arriostre, excluyendo a las pilas, estribos y cimentaciones que, para
Arco Tablero
Costos € Madera 38.916.447,19 22.924.775,23
Costos € Acero 28.429.893,45 27.130.628,10
38.916.447,19
22.924.775,23
28.429.893,45 27.130.628,10
0,005.000.000,00
10.000.000,0015.000.000,0020.000.000,0025.000.000,0030.000.000,0035.000.000,0040.000.000,0045.000.000,00
Co
sto
(€
)
elementos estructurales
Costes comparativos(€)
4.300,00
16.668,29
ACERO MADERA
Rat
io (
Є/m
2)
Material estructural del puente
Ratio comparativo
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Página | 101
efectos de este trabajo no se han tenido en cuenta desde el análisis ya que son elementos
estructurales de acero y hormigón.
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CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE INVESTIGACIÓN
8.1. Conclusiones
Se logró desarrollar el objetivo principal del trabajo que era estudiar la viabilidad de los
puentes de madera en infraestructuras de transporte, específicamente en puentes arco
con tablero inferior analizando un caso real de un puente vehicular ubicado en Sant
Andreu de la Vola, Barcelona.
Para lograr dicho objetivo se determinó un análisis estructural, un estudio
medioambiental de la madera y un comparativo presupuestal de la madera frente al
acero.
Del análisis estructural
Se evaluó las tipologías de puentes arco existentes como posibles alternativas de
reemplazar al puente de Sant Andreu de la Vola hecho de acero, pero esta vez utilizando
a la madera como material de construcción, como son el puente arco con tablero
superior, puente arco con tablero intermedio y puente arco con tablero inferior. Siendo
el puente arco con tablero inferior el seleccionado para este trabajo.
Se evaluó las propiedades físico - mecánicas de la madera estructural según el
Eurocódigo 5 y el Documento básico de seguridad estructural de la madera, siendo la
madera un material de alto rendimiento, de bajo peso, pero con alta densidad, que
presenta excelentes propiedades de soporte de carga y térmicas, además que existe
una amplia gama de maderas, cada una con sus propias características, lo que implica
que la madera pueda cumplir con la mayoría de los requisitos especiales de diseño de
estructuras para puentes. Para el presente trabajo era necesario utilizar la clasificación
estructural de la madera laminada encolada homogénea, siendo ésta el tipo de madera
con propiedades más resistentes (𝑓′𝑐 = 36 𝑁 𝑚𝑚2)⁄ y mayor módulo de elasticidad
(𝐸 = 14.7 𝐾𝑁 𝑚𝑚2)⁄
Se determinaron los esfuerzos máximos de momento, axial y cortante en el arco, tablero
y péndolas, siendo el arco el elemento estructural más resistente a compresión de todo
el conjunto con un esfuerzo axil de 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 5297.21 𝑘𝑁, el tablero tiene el mayor esfuerzo
a cortante con un valor de 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 85.75 𝑘𝑁, y el mayor comportamiento a flexión con un
valor de 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 2159.99 𝑘𝑁. 𝑚 en el centro luz de la viga longitudinal.
Estudio de Viabilidad de Estructuras de Madera
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Debido a que el arco tiene una deflexión de casi 5 cm (figura 48), se tendría que
considerar la construcción del dicho arco con contraflecha ya que se verá afectado más
adelante en situación de servicio, es decir; en sobrecarga. En cuanto a la viga
longitudinal se tiene una flecha de 50 mm los que significa que está dentro del rango
aceptable por la norma (Eurocódigo 5).
Del análisis medioambiental y del presupuesto
Se determinó que la madera establece por si sola un compromiso medioambiental como
material de construcción durante toda su vida útil almacenando por M3 de madera 0.9 t
de CO2. Por lo que se puede estimar que para este trabajo habiendo obtenido 692.97
m3 de madera se podría haber dejado de emitir 623.67 t de CO2 a la atmósfera.
El presupuesto estimado total de la estructura evaluada en este trabajo es de
91,352,911.16 euros que está limitada a toda la superestructura del puente es con un
ratio de 1668 Є/m2 en madera sobre 4300 Є/m2 del puente de acero original.
Figura 84. Cuadro resumen de costo frente a emisiones de CO2 para los dos diferentes puentes
Solución Coste Emisiones
(€) (kg de CO2 eq)
Puente de Madera 63.443.928,02 1,74811E+11
Puente mixto Acero-Hormigón 57.783.681,45 2,6221E+11
Finalmente, los puentes hasta ahora demandan de manera general secciones que tengan
mayor mayor rigidez a medida que aumentan las longitudes que se necesitan cubrir y, por
lo tanto, se necesita de materiales estructurales que cumplan con las normativas que se
tienen a disposición, no obstante, es importante fomentar el conocimiento del cambio
climático en el desarrollo de cada proyecto. La madera es un material extraordinario,
renovable de forma natural que ofrece una manear sencilla de reducir las emisiones de
CO2.
8.2. Futuras líneas de investigación
Las estructuras del presente trabajo son en gran medida ligeras y muy deformables
transversalmente, a pesar de las configuraciones resistentes a las que fueron sometidas
en el análisis estático, sin embargo, pueden presentar sensibilidad a efectos dinámicos,
de vibraciones o de fatiga lo cual se tendría que hacer de un análisis particular e
importante en el caso de un proyecto real.
Si bien la unión que existe entre las vigas longitudinales y los arcos mediante estas
péndolas forman un conjunto que justifican la durabilidad de la estructura, el
Estudio de Viabilidad de Estructuras de Madera
para Infraestructuras de Transporte
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comportamiento de las péndolas y más específicamente en la respuesta de la unión
entre ésta y el resto de elementos requieren de un análisis a detalle ya que para efectos
de este trabajo las péndolas suponen un elemento singular del puente.
Estudio de Viabilidad de Estructuras de Madera
para Infraestructuras de Transporte
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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structure in short and medium span bridges in China,” J. Traffic Transp. Eng.
(English Ed., vol. 1, no. 1, pp. 72–80, 2014.
[5] E. D. E. Ingenier, C. En, and O. Civiles, “‘ Estudio Del Diseño De Puente Atirantado
de Tablero de Madera Tensada sostenido por Viga Curva de Madera Laminada,’”
Universidad Austral de Chile, 2006.
[6] A. B. Cornejo, Puentes de madera. [s.l. : AITIM, 2004.
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[8] F. L. Ou and C. Weller, “Overview of Timber Bridges.,” Transp. Res. Rec., pp. 1–
12, 1986.
[9] G. Beyer, M. Fischer, and J. Fletcher, “Frente al cambio climático: Utiliza Madera,”
2010.
[10] L. M. V. Laborda, “Construcción de puentes arco,” Rev. Obras Publicas, vol. 162,
no. 3562, pp. 23–36, 2015.
[11] R. Arch, F. M. Mato, M. Ortega, and A. Carnerero, “Proyecto y ejecución de dos
arcos mixtos con elementos tubulares y sistema de péndolas tipo ˝ network ˝ :
Puentes Arco de Deba y Palma del Río,” no. 3, pp. 7–39, 2010.
[12] F. Pacheco, “Comportamiento a pandeo de puentes arco,” p. 80, 2016.
[13] J. J. Jorquera, “Estudio del comportamiento resistente de los puentes arco
espaciales,” 2007.
[14] M. Tarín, Pablo. Sánchez-Solís, “Diseño De La Superestructura De Una Pasarela
Sobre El Río Cérvol En Vinaroz ( Castellón ), Usando Hormigón De Altas
Prestaciones ( Uhpfrc ).,” 2016.
[15] Gabriel Bugueda, “CÁLCULO MATRICIAL Método de Rigidez TEORIA.”
[16] Ministerio de fomento, “Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto
de puentes de carretera,” 2012.
[17] E. C. F. STANDARDIZATION, Eurocode 5: Design of timber structures - Part 2:
Estudio de Viabilidad de Estructuras de Madera
para Infraestructuras de Transporte
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E Invernadero, D E Efecto,” pp. 0–66, 2011.
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Available: https://www.househabitat.es/viviendas-frente-al-cambio-climatico/.
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[21] “Precio en España de Ud de Tesado de anclajes permanentes. Generador de
precios de la construcción. CYPE Ingenieros, S.A.” [Online]. Available:
http://www.generadordeprecios.info/obra_nueva/Cimentaciones/Contenciones/Mur
os_pantalla/Tesado_de_anclajes_permanentes.html#gsc.tab=0. [Accessed: 17-
Sep-2020].
[22] M. P. Blasco, “PASARELA PEATONAL EN EL PARQUE SAN MIGUEL (Logroño,
La Rioja),” 2015.
[23] C. N-, Anejo no 13. estructuras. .
Estudio de Viabilidad de Estructuras de Madera
para Infraestructuras de Transporte
Página | 107
ANEJO A. CARGAS ASIGNADAS
Cargas muertas
Figura 85. Carga muerta asignada al modelo.
Carga muerta ɣ (kN/m3) e (m) P (kN/m2) A (m) Carga
(kN/m)
Hormigón armado 25 0,2 5
Asfalto 23 0,08 1,84
Elementos no estructurales - - 0,25
7,09 6,4 45,376
Cargas vivas
Figura 86. Sobrecargas uniforme y puntual asignadas al modelo.
Sobrecarga uniforme kN/m
9 2,5 2,5
3 3 0,4 6,4
27 7,5 1 35,5
Sobrecarga puntual kN
300 200
2 2 0,4
600 400 0 1000
PLANOS
PLANO:
Sección longitudinal y
Secciónes transversales
TÍTULO TFM:
Estudio de la viabilidad de estructuras de madera para infraestructuras de transporte
PLANO N°:
01
ESCALA:
Indicada
FECHA:
Octubre, 2020
TESISTA:
Fanny Lulichac Sáenz
TUTOR (ES):
Javier Ainchil y Gonzalo Ramos
VISTA EN PLANTA
ESCALA 1/500
A
Tunel
B
Arcén
39.00 39.00 39.00 39.00
156.00
Carril 1
Carril 2
Arcén
2%
2%
12.80
Pavimento
Tunel
Luminaria
7.00
2.05
2.05
2 3 45
1
A
2
B
1
39.00
2.44 2.44 2.44 2.4414.63
14.63
Viga
transversal
0.30x0.55 m
Viga
arriostre
0.25x0.40 m
Viga longitudinal 0.80x1.10 m
CORTE C - C
Tablero
ESCALA 1/500
2.44 2.44 2.44 2.44
CORTE B - B
Arco
ESCALA 1/500
SECCIONES
0.30
ESCALA 1/30
0.55
Viga Transversal (tablero)
0.25
0.40
Viga Transversal (arco)
0.20
0.30
Viga Arriostre (arco)
Viga
transversal
0.25X0.40 m
Viga
arriostre
0.20x0.30 m
Arco 0.70x1.00 m
Detalle 1
0.25
0.40
Viga Arriostre (tablero)
Arco
0.70
1.00
Viga Longitudinal
Ø60 mm
Péndola de acero
1000 mm
300 mm
868 mm
36 mm
19 mm
PLANO:
Alzado y seccion transversal
TÍTULO TFM:
Estudio de la viabilidad de estructuras de madera para infraestructuras de transporte
PLANO N°:
02
ESCALA:
Indicada
FECHA:
Octubre, 2020
12
3 4 5
39.00 39.00 39.00 39.00
27.55
19.67
17.70
4.00
2.50
5.00
A
156.00
23
2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44 2.44
39.00
8.00
2.14
3.84
5.18
6.23
7.02
7.57
7.89
Arco y Péndolas
ESCALA 1/150
6.50
Péndola
Arco de madera
laminada encolada
Luminaria
Pretil
Unión articulada
Viga
longitudinal
2.44 2.44 2.44
Alzado
ESCALA 1/500
TESISTA:
Fanny Lulichac Sáenz
TUTOR (ES):
Javier Ainchil y Gonzalo Ramos
CC
B B
A
2%
3.50 3.502.50 2.50
12.10
8.00
0.40
AB
12.80
2%
6.50
Sección Transversal
ESCALA 1/125
Luminaria
Barandilla
Losa colaborante
e=20cm
Asfalto e=8mm
DE TIROMARCO
P1E1
A1A2A3E2P3P2
A2P1 A1
ACERO ESTRUCTURAL EN CHAPAS:
(EN MARCOS TRANSVERSALES):ACERO ESTRUCTURAL EN PERFILES UPN
ACERO EN PERNOS CONECTADORES:
LA CORROSION SEGUN PLIEGO DE CONDICIONESCONTROL DE CALIDAD Y PROTECCION CONTRA
MATERIALES ESTRUCTURA METALICA
E2
CABLES DE RETENIDA CABLES DE TIRO ANCLAJE CABLESESTRUCTURA PARAFRANQUEO ANCLAJE CABLES DE4 Ø0.6"TIRO EN ESTRIBO4 Ø0.6"DE PILAS RETENIDA A PUENTE DE TIRO A PUENTE
ALZADO
PLANTA
A3
SECCION TRANSVERSAL
P2P2
E1
CABLES DE TIRO4 Ø0.6"
PARA DESLIZAMIENTOVIGA TRANSVERSAL
PILA
GUIADO/RODORESRUEDAS DE
PARA PATINES DEVIGA TRANSVERSAL
DESLIZAMIENTO
ZAPATA DE FRENADOPROVISIONAL
ZAPATAS DE APOYOSPROVISIONALES
GUIADO/RODORESRUEDAS DE
NEOPRENO-TEFLONAPOYOS
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