Arquitectura utfsm estructuras de madera y acero trabajo_de_ema

1. E S T R U C T U R A S M A D E R A Y A C E R O
Memoria de Cálculo Estructural
V I A D U C T O M A L L E C O
Profesor: Isaac Flores
Alumnos: Anette Auger A.
Cesar Cumián C.
Marcela Figueroa A
Fecha: 29 de Diciembre de 2006
UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARIA
A R Q U I T E C T U R A

2. I n d i c e
1.- Introducción…………………………………………………………….3
2.- Estructura:
2.1.- Tipo de Estructura…………………………………………..6
2.2.- Esquemas estructurales…………………………………..10
3.- Cálculo estructural
3.1 Estado de Carga
3.1.1.- Peso Propio………………………………….……………13
3.1.2.- Sobrecarga……………………………………………….16
3.1.3.- Viento……………………………………………….…….17
3.1.4.- Sismo ………………………………………………….....19
3.2.- Combinación de cargas
3.2.1.-Consideración de la norma……………………...…....20
2

3. 3.2.2.-Diseño de elementos estructurales viga……………20
i n t r o d u c c i ó n
El Viaducto del Malleco se eleva sobre el río del mismo nombre, a la altura
de la localidad de Collipulli, en
la IX Región de La Araucanía.
Fue considerado en su
época el puente ferroviario
más alto del mundo. Es una
de las mayores obras de
ingeniería metálica en Chile.
Se construyó en el marco de
un vasto programa estatal de
extensión de la red ferroviaria,
que el Presidente José Manuel Balmaceda consideraba fundamental para el
porvenir económico del país.
La obra se insertó en el marco de la construcción de la línea férrea entre
Angol y Traiguén, la cual fue realizada por el Estado a través de una licitación
pública. El paso del valle del río Malleco presentaba el principal escollo para el
trazado, por cuanto el cauce fluvial corre 110 metros bajo el nivel de las planicies.
Esta dificultad presentó a los ingenieros la disyuntiva de rodearla o vencerla de
3

4. frente, optándose por esto último, y determinando hacerlo en la angostura de
Collipulli.
En 1885, el gobierno encomendó al representante de Chile en Francia,
Alberto Blest Gana, pedir propuestas para la construcción del viaducto a las firmas
europeas de mayor renombre, de acuerdo a los planos realizados por el chileno
Victorino Aurelio Lastarria, ingeniero jefe de los ferrocarriles de Arauco.
Presentaron proyectos tres firmas francesas: Gustave Eiffel, la Societé Anonyme
des Anciens Establissements Cail, y Schneider et Cie. O Le Creusot. Se adjudicó
la obra esta última.
Entre 1886 y 1888, la empresa construyó en sus
talleres en Europa las armazones de fierro, que
fueron transportadas por barco y luego por
ferrocarril a su destino. Las fundaciones
estuvieron listas paulatinamente, instalándose el
viaducto entre febrero de 1889 y mediados del año
siguiente. La obra fue inaugurada por el Presidente José Manuel Balmaceda el 26
de octubre de 1890.
El peso total del viaducto, medido sección por sección en los talleres,
ascendía a 1.401.344 kilogramos. El puente se armó sobre una gran plataforma de
madera, de 95 metros de largo. Cada etapa del lanzamiento del puente sobre sus
bases duró unas diez horas, siendo necesario aumentar, a medida que se
avanzaba, el número de obreros, llegando al centenar. Después de lanzado el
puente, en reposo temporal sobre gatas hidráulicas, colocadas en las pilas y
estribos, se terminó el armado del primer cabezal, y se hizo descender el puente a
su posición definitiva mediante las gatas, sobre los grandes descansos de fierro
fundido. En febrero de 1890 se realizó el deslizamiento de la viga, en una
maniobra de gran complejidad.
4

5. Hoy como ayer, la obra
impresiona por su magnitud. Su longitud
es de 347,5 metros, divididos en cinco
tramos iguales, de 69,5 metros. El
puente descansa sobre sus dos estribos
extremos y cuatro pilas intermedias,
todas ellas de acero. La primera y
cuarta pilas tienen 43,7 metros de alto, la segunda 67,7 y la tercera 75,7. Los
rieles se encuentran a 102 metros de altura sobre el fondo de la quebrada.
Posteriormente, se pusieron refuerzos diagonales entre la viga y las torres para
que la estructura soportara el peso de locomotoras más modernas. El viaducto se
aprecia en toda su magnitud desde el puente carretero que se construyó paralelo
a él.
El Viaducto del Malleco fue declarado monumento nacional en la categoría
de monumento histórico por el Decreto Supremo Nº686 del 25 de septiembre de
5

6. 1990. La estructura actualmente existente es la que se instaló hace más de un
siglo. El hecho de que en la época en que fue construido el Viaducto del Malleco
fuera considerado el puente ferroviario más alto del mundo, la complejidad de su
instalación, la resistencia que ha demostrado, y su carácter de obra excepcional
de la ingeniería metálica, hacen de este monumento una obra maestra del genio
creativo humano.
Perteneciente a la Empresa de Ferrocarriles del Estado, es una de las
estructuras ferroviarias más emblemáticas con que cuenta la empresa (EFE).
2._ e s t r u c t u c t u r a
2.1.- Tipo de Estructura.
El Viaducto del Malleco se encuentra ubicado en el kilómetro 589.892 de la
línea central del ferrocarril sur, entre Collipulli, por el norte, y Pidima, por el sur.
Conforme a datos publicados oficialmente en 1945 por el ingeniero civil,
Julio Tapia Cabezas, jefe de cálculo de puentes de los FF.CC. del Estado de Chile
6

7. y académico de la Universidad de Chile, la obra original se compone de cinco
tramos metálicos de 70 metros de luz (largo o distancia entre los pilares) cada
uno, apoyados sobre estribos de albañilería de piedra y sobre cuatro pilas
metálicas intermedias.
El riel está a 103 metros sobre el lecho
del río. Largo total 347.50 mts. (se refiere
exclusivamente a la parte de fierro).
Los estribos prolongan el puente con dos
bóvedas de acceso en la parte norte y una al
sur. Se le calculó para resistir una sobrecarga
continua de 3.6 toneladas por metro corrido de puente.
La espectacular armazón
causó incredulidad en la época y
por mucho tiempo. Treinta años
después de su construcción existía
alrededor de su supuesto mal
estado una verdadera leyenda
negra. Se decía que al paso de los
trenes caía una lluvia de pernos y
remaches. Lo real es que todo puente y línea férrea necesita mantención. La
cuestión de reforzar viaductos se presenta siempre en los ferrocarriles antiguos.
En Chile el refuerzo de puentes adquirió gran importancia luego de 1918, al
adquirirse las primeras locomotoras Mikado, de mayor peso, por la necesidad de
aumentar el poder de tracción ante el incremento del tráfico de pasajeros y carga.
En la época, el refuerzo se convirtió en general en la mejor opción para la
empresa de ferrocarriles chilena.
7

8. Por entonces, todos los puentes del ferrocarril de la línea Santiago
Valparaíso y luego de la línea central hacia Puerto Montt, fueron sometidos a
refuerzos y modificaciones.
La discusión en torno a la forma en que se debía reforzar el Viaducto del
Malleco comenzó en 1910. El ingeniero Francisco Mardones presentó un informe
sobre el estado del puente y planteó la necesidad de reforzarlo, lo que reiteró
antes del final de año. Había un aumento de fatigas del material por el mayor peso
del equipo ferroviario, que aflojaban los remaches, de los cuales hubo que cambiar
15.000 en dos años.
Se resolvió encargar un estudio del refuerzo a Schneider y Cía. del Creuzot,
bajo la condición esencial que los trabajos debían realizarse bajo tráfico.
El tema general se analizó durante casi 13 años, debido –entre varias
consideraciones- a que se desecharon las propuestas que afectaban la belleza del
puente y las que implicaban elevados costos. Además, la Primera Guerra Mundial
impidió la puesta en práctica de uno de los proyectos.
Mientras tanto, el puente continuó funcionando de modo normal,
necesitándose sí una mantención más frecuente y costosa.
8

9. Se propusieron y analizaron siete soluciones distintas. Sin embargo fueron
desestimadas.
En 1923 se adaptó una nueva solución –la octava- ideada y calculada por
los ingenieros de puentes del Departamento de la Vía, dirigidos por el ingeniero
Jorge Ewerbeck.
La solución escogida, con planos y presupuestos terminados, la dio a
conocer el Departamento de Vía y Obras.
Era la siguiente:
1.- Reforzar las vigas actuales (a 1923) transformándolas en vigas de
momento de inercia variable, agregándole hacia abajo triángulos metálicos
enrejados con su vértice a plomo de los apoyos intermedios.
2.- Reforzar las pilas agregándoles dos pilastras (una al norte y otra al sur).
3.- Reforzar el tablero con tirantes y pendolones.
El refuerzo estaba calculado para resistir el tren tipo B, con ejes de 20
toneladas.
9

10. Aceptada esta idea, se pidieron propuestas públicas para su ejecución, las
que igual que en la construcción del viaducto, se adjudicó la empresa Schneider
Creuzot. Los trabajos se iniciaron a fines de 1923 y se llevaron a cabo sin
interrumpir el tráfico. La recepción definitiva se efectuó en mayo de 1926.
Desde entonces, no se ha realizado en el puente ninguna intervención
importante, con excepción del sistema para el tendido eléctrico ferroviario que no
modifica ni altera en nada la esencia del portentoso mecano de hierro.
Desde los trabajos de reforzamiento realizados en 1923-2926, el
Viaducto del Malleco no ha tenido ninguna intervención de importancia, con
excepción del pintado.
Tampoco se le ha realizado un análisis acerca de su real estado de
conservación. Hoy tiene capacidad de soportar el tráfico de trenes tipo B a una
velocidad de 10 kilómetros por hora, claramente insuficiente para los
requerimientos actuales de transporte.
En octubre del 2002 EFE (Empresa de los Ferrocarriles del Estado) llamó a
una licitación pública para un estudio de prefactibilidad en el Viaducto del Malleco,
a fin de conocer su real estado (diagnóstico, análisis, evaluación).
Los participantes en la propuesta debieron tomar en consideración las
implicancias de su declaración de Monumento Nacional (Decreto Supremo Nº686),
marco en el cual deben regirse las intervenciones en la histórica obra metálica.
2.2.- Esquemas estructurales
10

11. 11
1 2 3 4

12. 12

13. 13
Detalle
sección marco
Detalle
Viga lateral

14. 3._ C á l c u l o e s t r u c t u r
a l
3.1 Estado de Carga
3.1.1.- Peso propio
 Viga grande
Pv1=0,852 x 0,012 x 7800 =80kg/m
Pv1=79,74 Kg/m
Pv1=80 Kg/m app.
 Montantes
Pmon= 0,52 mt x 0,012m x 7800
Pmon= 48,672
14

15. Pmon=50 kg/m app.
 Diagonales
Pdiag=0,15 x 0.004 x 7800
Pdiag=4,68
Pdiag=5 Kg/m app.
Luego
Pm= 4 piezas x 2 m x 50 Kg/m
Pm=400 Kg
Pd=[(8 piezas x 2,3 m) + (4 piezas x 2,65 m) + (2 piezas x 2m)] x 5 kg/m
Pd=165 Kg
TOTAL= 565 Kg
Pv1= 2 piezas x 3,745 m x 80 kg/m
Pv1= 556 Kg
15
282,5282,5
q=190,5
350 350
3,475 m

16. Pm= 2 piezas x 7m x 50 Kg/m
Pm= 700 Kg
Pdiag= 8 piezas x 2,65m x 5 Kg/m
Pdiag=106 kg
Sumando ambos
+ =
Peso de cajón = 1.927 Kg
Luego 1.927 x 20 (cajones) = 38.540 Kg
ANEXO AL PESO PROPIO:
Peso tramo estructura = 38.540 Kg
 Peso riel=35 x 2 x 69,5 = 4.865 kg
 Peso durmientes= 200 x 69,5 = 13.900.-
16
282,5282,5
3,475 m
q=190,5
350 350
3,475 m
q=190,5
632,5 632,5
3,475 m

17. PESO PROPIO TOTAL 38.540 kg estructura
4.865 kg rieles
13.900 kg durmientes
7.708 kg 20% del peso de la estructura
acero por concepto de pernos
65,013 ton
22,202 ton 35% del peso total por
refuerzos (según datos
viaducto malleco)
87,332 ton
El tramo 4-5 es el más crítico por lo tanto se analizará.-
17

18. 3.1.2.- Sobrecarga
Sobrecarga = 3,6 ton (dato viaducto malleco obtenido de pdf, revista de
obras publicas, Enrique Mamy)
P= Peso propio + 0,25 ( 3,6 ton/mt x 69,5 mt)
P=149,882 ton. Peso total
3.1.3.- Viento
Esquema
18
3,475

19. (0,60m x 3,475) x 2 = 2,085 m2
(0,1m x 2,65 ) x 8 = 2,12 m2
(0,15m x 7 ) = 1,05 m2
Superficie a soportar viento = 5,25 mt2
A= 5,25 m2 x 20 = 105m2
Presión viento en el cajón
Pv=136,8 Kg/m2 x 105 m2 = 14.364 kg
19
A=5,25 m2
136,8 kg/m2
135,7 kg/m2
68,4 kg/m2
68 kg/m2

20. Presiones básicas de viento
Construcciones situadas en la ciudad o
lugares de rugosidad comparable.
Construcciones situadas en campo
abierto, ante el mar o en sitios
asimilables a estas condiciones.
Altura sobre el
suelo
(m)
Presión básica
q en kg/m2
Altura sobre el
suelo
(m)
Presión básica
q en kg/m2
0 55 0 70
15 75 4 70
20 85 7 95
30 95 10 106
40 103 15 118
50 108 20 126
75 121 30 137
100 131 40 145
150 141 50 151
200 162 75 163
300 186 100 170
150 182
200 191
300 209
3.1.4.- Sismo
Se especifica mediante un coeficiente sísmico, que es en función de la
aceleración del suelo durante la sacudida.
20
5,21 m2

21. De acuerdo a la norma sísmica Nch 433 of 93 esto se traduce en una fuerza
horizontal Qo aplicada en la base del cajón enrejado.
Qo = C x I x P
En términos prácticos en diseño no muy complejos el corte basal puede ser
estimado en un porcentaje del peso de la estructura (entre 10% y 20%)
P= Pp + Sobrecarga
P= 87,332 + 0,25 ( 3,6 ton/mt x 69,5 mt)
P=149,882 ton.
Qo=C x I x P
Qo=0,20 x P
Qo=0,20 x 149,882 ton
Qo=29,97 ton
3.2.- Combinación de cargas
21

22. En el diseño de una estructura se obtienen como primer objetivo los
esfuerzos que toma cada uno de los elementos que la componen. Para este fin se
deben considerar todas las combinaciones de estados de cargas posibles que
puedan comprometer dicha estructura, y realizar el diseño con aquellas
solicitaciones que resulten más desfavorables.
3.2.1.- Consideración de la norma
ft 1,33 Ft = PP + Sc + V (se considera solo viento)
NOTA:
a) Se determinó el área de acero de la columna para soportar la carga.
b) Para efectos de cálculo se asume A37-27ES
c) En el caso de estructuras de acero el viento es más importante que el sismo debido a que
el peso de la estructura es menor que por ejemplo en el caso del hormigón, donde el sismo
toma mayor importancia.
ft= P/A  0,6 x 2700 = 1.620
ft=P/1620 Areq
ft=149882/1620  Areq
f92,51cm2 Areq Se propone perfil HN 30 x 92,2 con un área de 117 cm²
3.2.2.- Diseño de elementos estructurales viga
22
P= peso total considerando solo el
cajón enrejado y una sola columna, la
central de 67,7m,
q=2,157ton/m
R2R2
Mto.máx= PL²/8

23. q=2,157 ton/mt
P=149,882 ton
Como es simétrica en profundidad
P/2 = 74,941 Ton
Como es simétrica en eje x
P=R1+R2 luego R1=R2
74,941 ton = 2R
R=37,47 ton
Mmax= PL²/8
Mmax= 74,941 ton x (69,5) ² = 45247,97 ton mt
8
23
q=2,157ton/m
37,47ton37,47ton
69,5 m
20 montantes

24. P en montantes = 74,941 ton /20= 3,74 ton
Se analiza en la mitad de la sección porque es esta la zona más crítica
Mmáx, máx
∑MA=0
24
T = tracción
C = compresión
M
d=7m
q=1,08 ton/m
T
3,74ton
34,75 m
C=T luego T= M/d
A)
T
7m
M

25. ∑MA=-(Tx7)+(1,08x34,75x34,75/2)-3,74x34,75
∑MA=-7T+652,08-129.965
0=-7T+522,115
T=522,115/7
T=74,59 Ton
Para los requerimientos de la viga a tracción y compresión:
1) compresión (viga superior)
fc  Fc
P/Areq  0.6 Ff
Areq ≥ P/0.6 Ff
Areq ≥ 74.590 / 0,6 x 2700
C=74,59 Ton
T = 74,59 Ton
25

26. Areq ≥ 46,04 cm²
1) Tracción (viga inferior)
ft  Fad
P/Areq  0,6 Ff
Areq ≥ P/0.6 Ff
Areq ≥ 74.590 / 0,6 x 2700
Areq ≥ 46,04 cm²
Finalmente el área requerida para ambas vigas es el mismo, por lo que
podemos utilizar la misma sección.
Se propone la viga IN 30 x 44,6 con un área de 56,8 cm²
26

27. 27