Publication: Análisis de viabilidad del uso d materiales compuestos en un puente peatonal tipo viga
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Publication date
2009-06
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2009
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Tras realizar el análisis del mismo puente peatonal, con materiales convencionales (acero y hormigón) y con materiales compuestos (perfiles de extrusión formados por laminados en fibra de carbono, y tablero del puente en estructura tipo sándwich con núcleo de tipo nido de abeja), se llega a la conclusión que desde el punto de vista del cálculo estructural, sin entrar en analizar los costes de implementación de cada una de las soluciones, que se encuentran fuera del ámbito de aplicación de este proyecto, resulta perfectamente viable la ejecución del puente descrita en este proyecto, realizada íntegramente por medio de materiales compuestos de fibra de carbono. El tamaño de los perfiles y el espesor del tablero obtenidos, no difieren en gran medida de los calculados si el puente tuviera la estructura de acero y el tablero en hormigón. Para los perfiles tubulares de la celosía, se pasa de tener perfiles de acero de 245 mm de diámetro a 300 mm de diámetro si el perfil es de material compuesto de fibra de carbono. Para las vigas bajo la base del tablero, se pasa de tener perfiles HEB240 en acero a vigas de sección en I de 300 mm de anchura por 300 mm de altura. Para el tablero del puente, de tener un tablero de 200 mm de espesor si éste es de hormigón, se obtiene un tablero de 300 mm de espesor en material compuestos de fibra de carbono. Tras llevar a cabo el análisis de once soluciones de diseño para el puente convencional, con una media de quince estados de carga aplicados por solución, y el análisis de cinco configuraciones de diseño y una media de diez estados de carga por configuración para el puente en materiales compuestos, se puede determinar que el caso de carga más crítico para el puente, independientemente del material que lo constituye, es la acción del vehículo pesado aplicada en el centro del puente, entre las dos pilas. Este caso de carga por si sólo, origina grandes desplazamientos del tablero y elevadas tensiones en las vigas bajo la estructura. La acción del vehículo pesado, combinada a la vez que la acción de sobrecarga, nieve y viento, es la que produce el mayor campo de desplazamientos en el tablero, y la que origina los mayores estados tensionales, alcanzando máximos en las vigas de la estructura situadas bajo el tablero del puente, adyacentes a la zona donde actúa el vehículo pesado. Bajo los estados de carga de viento, ya sea transversal ó longitudinal, las vigas situadas en la cuerda superior, son igualmente, las que sufren las mayores deformaciones y tensiones más elevadas. La influencia del espesor del tablero, resulta crucial en el campo de desplazamientos y en las tensiones que registran las vigas bajo la base del tablero. De esta forma, para el puente en materiales convencionales, bajo estados de carga actuando sobre el tablero, un aumento de diez centímetros en el espesor del tablero, puede hacer disminuir la flecha del tablero en un 35%, así mismo el valor de tensión a soportar por las vigas bajo el tablero se puede ver reducida en un 15%. Igualmente, para el puente en materiales compuestos, bajo el mismo estado de carga de la acción del vehículo pesado, un incremento en el espesor del núcleo del sándwich de cinco centímetros evita que el laminado del tablero rompa y que la flecha que sufre el tablero sea del orden de un 10% inferior. En resumen, se puede concluir, que la configuración seleccionada para el tablero, una estructura tipo sándwich es ideal, desde el punto de vista estructural, para soportar las acciones impuestas al puente, cumpliendo con los requerimientos al diseño de flecha y de no rotura, con unas dimensiones de tablero de tan sólo 100 mm más de espesor que si fuera de hormigón, pero aportando un ahorro en peso del 84% frente a éste último. El ahorro total en peso que se consigue para el puente en materiales compuestos es de un 71% frente al puente en materiales convencionales, lo que facilita el montaje de este tipo de puentes pudiéndose emplear grúas de menor tonelaje que si se montara un puente de acero y hormigón. Además, no se puede olvidar, que el hormigón del tablero precisa de la necesidad de tener que esperar los tiempos de fraguado correspondientes para obtener la resistencia requerida en el material, tiempos de espera que no son necesarios en un puente hecho de fibra de carbono. De esta forma, al encontrarse el puente peatonal sobre una carretera, las molestias que se podría ocasionar en el corte del tráfico, para llevar a cabo el montaje del puente, se verían disminuidas en gran medida, siendo ésta, una de las grandes ventajas del empleo de los materiales compuestos en las aplicaciones ingenieriles de obra civil. Por otro lado, no se debe olvidar las ventajas que aportan los materiales compuestos frente a los materiales convencionales, en lo referente a la resistencia a la corrosión y a la acción de los agentes medioambientales externos, que hacen que los costes de mantenimiento del puente a lo largo de los años, disminuyan con respecto a los costes de mantenimiento que presenta un puente en acero y hormigón. Esta disminución en los costes de mantenimiento, pudiera compensar a los costes iniciales de la fabricación del puente en fibra de carbono, pero este punto, como ya se ha comentado, queda fuera del ámbito de aplicación de este proyecto.
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Keywords
Materiales compuestos, Puentes, Construcción de puentes, Cálculo de estructuras