PROYECTO FINAL DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL

PUENTE TIPO BAILEY

CARLOS LEONARDO AGUILAR

CARLOS EDUARDO PERDOMO

FABIÁN ANDRES PIRACOCA

FERNEY SMITH PRIETO

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

TUNJA

2014

PROYECTO FINAL DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL

PUENTE TIPO BAILEY

CARLOS LEONARDO AGUILAR

CARLOS EDUARDO PERDOMO

FABIÁN ANDRÉS PIRACOCA

FERNEY SMITH PRIETO

Ingeniero

CARLOS ANDRÉS CORREDOR

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

TUNJA

2014

Introducción

El puente Bailey fue diseñado en 1939 por Sir Donald Bailey

que desarrolló una serie de paneles prefabricados que

pueden combinarse de tal manera que se consigue un puente

que resiste hasta 40 toneladas de peso. Los puentes Bailey

se ensamblan y se instalan en cuestión de días por una

pequeña  cuadrilla con la ayuda de herramientas manuales

comunes. Todas las conexiones son atornilladas o con

abrazaderas, sin necesidad de soldar. Con montaje y

desmontaje  fácil y los componentes se pueden almacenar en

un espacio mínimo; además, se pueden montar en siete

configuraciones diferentes para hacer vigas de cualquier

longitud, también pueden superponerse para aumentar la

resistencia.

La simplicidad del diseño Bailey permitió la producción en

masa y se produjeron cerca de 700.000 paneles que

representa alrededor de 350 kilómetros de puentes. El

diseño original fue adaptada para hacer un puente de

pontones, un puente colgante (el más largo construido fue

de 450 pies). En el Noroeste de Europa se construyeron unos

1.500 puentes con un total de más de 29 millas de fijos y 3

kilómetros de puentes flotantes. El más largo fue el Sussex

en 1940.

Objetivos

Objetivo general

Analizar y generar un diseño de un puente tipo

Bailey teniendo en cuenta tanto las especificaciones

del código colombiano de 1995 de diseño de puentes

como las de seguridad como las demás normas y leyes.

Objetivos específicos

Determinar las diferentes cargas (vivas, muertas,

sismo) que actúan sobre este tipo de puente.

Interpretar de manera clara los comportamientos de la

armadura cuando ésta se encuentra sometida a

diferentes esfuerzos.

Realizar los diferentes diagramas tanto de momento

como cortante que son necesarios para determinar el

comportamiento de la estructura.

Determinar las fuerzas que actúan en la armadura

utilizando el método de secciones.

Definir características de los materiales, secciones

de los miembros, módulo elástico y elementos que

conforman la estructura.

Realizar un plano en donde se pueda caracterizar

claramente el diseño de la estructura.

Reconocer la importancia y ventajas que tiene este

tipo de puente actualmente y la trascendencia que tuvo

en la historia.

Aplicar cada uno de los parámetros que exige el código

colombiano de puentes del 95 con el fin de alcanzar un

óptimo diseño del puente.

Calcular las reacciones en los apoyos y además la

deformación, el esfuerzo cortante en cada uno de los

miembros que componen la estructura.

Realizar el cálculo de toda la armadura para definir

si los elementos trabajan a tracción (T) o compresión

(C).

Justificación

Durante la segunda guerra mundial, hizo su aparición el

puente modular Bailey. Fue diseñado por el Ingeniero inglés

Donald Coleman Bailey en 1941, para facilitar el traslado

de tropas y armamento de los Aliados durante la guerra. Por

esta razón se ha tomado la decisión de hacer un análisis al

puente tipo Bailey teniendo en cuenta las diferentes

especificaciones de diseño exigidos por Código Colombiano

de Diseño de Puentes de 1995 (CCDSP 95), debido a que es

una estructura sencilla de fabricar y por la versatilidad

de sus piezas. Por otro lado, se hace interesante puesto

que cuenta con una infinidad de características como que

consigue admitir un amplio rango al diseño de la estructura

que puede ir desde la simple-simple hasta la triple-triple.

Además permite numerosas variaciones especiales en su

montaje, como el tendido sobre puentes, puentes

ferroviarios, etc. Cada una de estas características del

mencionado proyecto lo hace aún más interesante, no solo

como proyecto de investigación sino como una alternativa de

profundización en nuestra carrera, de ahí la importancia de

poder realizarlo para fortalecer conocimientos y crear

nuevas estrategias de aprendizaje que sirven como

orientación de modo que se obtenga un mejor desempeño como

profesionales en la construcción de obras civiles.

Marco teórico

Los puentes metálicos modulares están conformados con

piezas de acero de alta resistencia, soldadas, y se unen

con otras por medio de ensamblaje con pernos y bulones,

para la formación de módulos de vigas de 10 pies de

longitud, con el panel de acero como elemento principal en

la formación de las vigas. Las piezas Bailey originales,

fueron proyectadas para formar un puente simple, de tablero

inferior, con la superficie de rodadura o calzada soportada

por dos vigas principales. En la práctica, la teoría de una

viga normal se aplica a una viga compuesta de paneles

Bailey unidos con bulones, y elementos de arriostramientos

horizontales y verticales que mantienen su geometría, de

tal modo que se garantice su rigidez; consecuentemente, su

inercia se incrementara con el aumento de números de

paneles utilizados en la estructura.

Los arriostramiento en forma de X y/o diamante, de los

paneles modulares, es tal, que para todos los propósitos

prácticos, la viga formada por estos paneles actúan como

una viga de alma llena, en la que los cordones superiores e

inferiores son los patines y las diagonales. Así mismo, las

uniones entre paneles mediante los bulones están con

estrecho ajuste y cuando estos son conectados, extremo con

extremo, el efecto de los esfuerzos locales o internos de

sus piezas pueden ser ignorados. Dicho lo anterior, y para

el análisis, diseño y construcción de cualquier puente en

Colombia, se deberá cumplir con lo establecido en las

normas, códigos y/o reglamentos de diseño y construcciones

nacionales e internacionales aplicable a todos y cada uno

de los materiales, actividades y procesos por desarrollar

dentro del proceso del siguiente anexo; de esta manera, a

continuación se relacionaran las principales normas

técnicas que se tuvieron en cuenta para el desarrollo del

presente adjunto:

Normas técnicas colombianas (NTC)1.

Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes

(CCDSP-95)2.

Norma Sismo Resistente (NSR- 10); título B3.

Grafica No. 1 Panel Bailey en forma de x.

Fuente: Ingeniería y construcción 2010.

Grafica No. 2 Combinación de Paneles Bailey en forma de x

con puente en arco.

Fuente: universidad Nacional Federico Villareal.

Grafica No. 3 Panel Bailey en forma de diamante.

Fuente: Crane Hoist Nante

Grafica No. Puente con paneles Bailey en forma de

diamante.

Fuente: Ingeniería y construcción 2010

1http://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/portalIG/home_15/recursos/01_general/documentos/16042010/normas_icontec_1486_ua.pdf2http://www.4shared.com/get/MPcMZfmR/cdigo_colombiano_de_diseo_sism.html

3http://www.uptc.edu.co/export/sites/default/facultades/f_ingenieria/pregrado/civil/documentos/NSR-10_Titulo_B.pdf

Procedimiento de cálculos

Para llevar a cabo este proyecto, el procedimiento para los

cálculos que se llevó a cabo fue el siguiente:

Definimos las combinaciones de carga pertinentes,

junto con el vehículo de diseño.

Se calcularon las cargas muertas, vivas, sísmicas y

de viento.

Se analizaron las líneas de fluencia, y a partir de

estas se obtuvimos el factor de distribución de carga

para cada viga.

Posteriormente se obtuvieron los momentos y cortantes

a los cuales va a estar sometida la estructura.

En lo referente a la parte estructural, se desarrolló

el análisis de un puente de sección tipo Bailey en

forma de x simplemente apoyada; esto con la ayuda de

las hojas de cálculo en Excel y realizando

simultáneamente el cálculo manual.

Luego de realizar lo anterior, obtuvimos las

dimensiones de los elementos estructurales, placa,

vigas, junto con la distribución de los paneles tipo

Bailey en forma de X, esto según las cargas y

momentos a las que se someterán.

Finalmente se desarrollaron planos y especificaciones

técnicas para la estructura.

Análisis de resultados

Estos fueron nuestros resultados después de realizar el

procedimiento de cálculos:

Perfiles:

PA

AAAEEM LT

W 000060 350

S 000040 330

PERFIL EN C

AletaArea, A (m^2)

Alturad,m

Ancho bf(m)

Espesor tf (m)

Espesoralmatw(mm)

Momentode inerciaIx;Iy (m^4)

Límitede fluencia (kg/cm^2)

Total de elementos

C250 0,0047

0,254

0,0734

0,0111

13,4 0.0000158

2530 2

0.000000578

Módulo Elástico del acero (Gpa)

200

Módulo de Rigidez delAcero (Gpa)

77,2 Peso del perfil I2(Ton/m)

0,0085

Peso del perfil I2(Ton/m)

0,0312 Peso del perfil C (Ton/m)

0,037

W8(8X5 1/4)

S3 X 5.7

C250

Carga Dist. (Ton/m) 1,1506 0,0085

0,60

Suma de elemento 5,75 0,323 1,19

Total (Ton/m) 7,27

carga viva (Ton/m) 4,94carga muerta losa(Ton/m) 1,776Carga total 6,716 1,12

Vehículo de diseño:

Tipo de Camión Peso(Ton)C 40-95 40

Distribuida por sus dos armaduras(Ton) 20

Carga distribuida C-40 4,44carga viva + 5% 4,67carga viva + 5%+I 4,94

5% carga viva 0,22Carga de impacto 0,28

Cargas muertas:

0,23,7 m

0,2 m18 m

18m

1776

Losa de concreto ReforzadoAncho(m)

3,7

Densidad del concreto(kg/m^3)

2400

Largo(m)

18 Volumen(m^3)

13,32

Espesor(m)

0,2

Carga Muerta losa Puntual (kg/m)

1776

Reacciones y fuerzas externas:

0,45 Ton 0,45 Ton

4,8 Ton

1,73 ton

4,8 Ton

AB C D E F

K J I HM LN

G

Carga Vivas (Ton/m) 4,94Carga Muerta (Ton/m) 9,046

Total(Ton/m) 13,986

Distribuida por sus dos armaduras(Ton/m) 6,993

Secciones:

Diagrama de cuerpo libre:

18 m

Rax

Ray Rgy

Análisis método de las secciones:

AB C D E F

K J I HM LN

G

Corte No. 1:

0,45 Ton

θ= 45°N NM

NBM A

A AB

4,8 Ton

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FNB ൌǡͳͷ � ܯܨ ൌǡͳͷܣ �

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ܨܨ ܯ ൌͶǡ͵ͷ �

Corte No. 2:

0,45 Ton 1,73 Ton

LM

M CLB

BC

4,8 Ton

ܨ ൌͶǡ � ൌͲǡͶͷ ൌͳǡ͵ � ൌܯܨ ܥ Ͷͷ ൌͲ

ܯܨ ܤܮ�ൌܥ

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ൌǡͻܥܤ� � �

Corte No. 3:

0,45 Ton 1,73 Ton 1,73 Ton

LKN

LDKC

A CD

4,8 Ton

ܦܮ� ൌܥܭ�

ܨ ൌͶǡ � ൌͲǡͶͷ ൌͳǡ͵ � ൌͳǡ͵ ൌܦܮ� ͶͷιൌͲܦܮ� ൌͳǡʹ � �ܥܭ� ൌͳǡʹ � ܥ

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ܭܮ� ൌǡ � ܥܦܥ� ൌǡ � �

Deformaciones en los elementos de la cercha:

ɤ = (ρ * L)/(A * Ɛ)

perfilelemento p(To

n)L(m) nombre Área(m

2)Módulo de Young(Ton/m2)

Deformación

AM IG 6,15 4,24264

S3 X 7,5 0,0011 22480934,96

0,00105513

NB HF 6,15 4,24264

S3 X 7,6 0,0011 22480934,96

0,00105513

MC IE 3,7 4,24264

S3 X 7,7 0,0011 22480934,96

0,00063479

LB JF 3,7 4,24264

S3 X 7,8 0,0011 22480934,96

0,00063479

LD JD 1,26 4,24264

S3 X 7,9 0,0011 22480934,96

0,00021617

KC KE 1,26 4,24264

S3 X 7,10 0,0011 22480934,96

0,00021617

NM IH 4,35 3 S3 X 7,12 0,0011 22480934,96

0,00052772

AB FG 4,35 3 S3 X 7,13 0,0011 22480934,96

0,00052772

ML JI 6,97 3 S3 X 7,14 0,0011 22480934,96

0,00084556

BC EF 6,97 3 S3 X 7,15 0,0011 22480934,96

0,00084556

CD DE 7,83 3 S3 X 7,16 0,0011 22480934,96

0,0009499

LK KJ 7,83 3 S3 X 7,17 0,0011 22480934,96

0,0009499

Deformaciones de las vigas transversales:

ɤ = (5 * W * L4)/(384 * Ɛ * i)

perfilW L(M) NOMBRE INERCIA( Módulo de Deformac

(Ton/m) M4) Young (Ton/m2)

ión

1,15 3,7 W8 (8 X 5 1/4) 0,0000313

22480934,96 0,00398827

0,6 3,7 C250 0,0000158

22480934,96 0,00412217

Deflexión máxima:

El puente analizado después de modelarlo en SAP2000, nos

muestra que tiene una deflexión de 0,0213 m, la cual cumple

con las secciones en el plano para una placa de concreto de

0,25 m.

Observaciones y recomendaciones

se recomienda analizar los elementos de la estructura

por el método de secciones.

Se observó de una manera concluyente que todas las

estructuras tipo Bailey son simétricas, lo cual

facilita su análisis.

Se recomienda determinar primero los perfiles

transversales, los cuales soportan la losa de

concreto.

Se recomienda que todos los perfiles de la armadura

sean uniformes, para que facilite la distribución de

su carga.

Se sugiere diseñar el puente teniendo en cuanta el

tipo de vehículo de diseño C-40 exigido por la norma.

Conclusiones

Se concluyó que los elementos Bailey en forma de X a

los extremos de la armadura reciben una mayor carga

que las que se dirigen al centro, por lo cual, esta

estructura resulta ser tan eficiente.

Se evidencio la importancia que tiene aplicar los

parámetros de las diferentes normas que rigen en el

territorio nacional.

Se pudo evidenciar que la armadura analizada podría

soportar 8.8 veces su propio peso.

El puente analizado después de modelarlo en SAP2000,

nos muestra que tiene una deflexión de 0,0213 m, la

cual cumple con las secciones en el plano para una

placa de concreto de 0,25 m.

Se encontró que en los cordones superiores e

inferiores los elementos ( L-k y C-d) son los que

están sometidos a los mayores.

Bibliografía e infografía

http://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/portalIG/

home_15/recursos/01_general/documentos/16042010/

normas_icontec_1486_ua.pdf

http://www.4shared.com/get/MPcMZfmR/

cdigo_colombiano_de_diseo_sism.html

http://www.uptc.edu.co/export/sites/default/

facultades/f_ingenieria/pregrado/civil/documentos/

NSR-10_Titulo_B.pdf

URIBE ESCAMILLA, JAIRO. Análisis de estructuras. 2

da. ECOE ediciones. Julio 2000.

HIBBELER. RUSSELL C. Análisis estructural. 8 ed.

PEARSON. 2012.

BEER, JOHNSTON, DEWOLF, MAZUREK. FERDINAND, RUSSELL,

JOHN, DAVID. Mecánica de materiales. 6 ed. Mc Graw

Hill. Mexico 2012.

Anexos

Catálogos perfiles estructurales.

http://www.ahmsa.com/Acero/Productos/

Catalogo_Perfiles2012.pdf

Perfiles comerciales y estructurales.

http://www.deacero.com/content/

perfilesestructurales.pdf

Normas técnicas colombianas (NTC).

http://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/

portalIG/home_15/recursos/01_general/

documentos/16042010/normas_icontec_1486_ua.pdf

Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes

(CCDSP-95).

http://www.4shared.com/get/MPcMZfmR/

cdigo_colombiano_de_diseo_sism.html

Norma Sismo Resistente (NSR- 10); título B.

http://www.uptc.edu.co/export/sites/default/

facultades/f_ingenieria/pregrado/civil/

documentos/NSR-10_Titulo_B.pdf