E S T R U C T U R A S M A D E R A Y A C E R OMemoria de Cálculo EstructuralV I A D U C T O M A L L E C O

I n d i c e

Profesor: Isaac FloresAlumnos: 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

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

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

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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 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.

Hoy como ayer, la obra impresiona por su magnitud. Su

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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 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).

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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 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

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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.

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.

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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.

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.

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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

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1 2 3 4

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3._ C á l c u l o e s t r u c t u r a l3.1 Estado de Carga

3.1.1.- Peso propio

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Detalle sección marco

DetalleViga lateral

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

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

11

282,5282,5

TOTAL= 565 Kg

Pv1= 2 piezas x 3,745 m x 80 kg/m

Pv1= 556 Kg

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.-

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q=190,5

350 350

3,475 m

282,5282,5

3,475 m

q=190,5

350 350

3,475 m

q=190,5

632,5 632,5

3,475 m

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.-

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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

(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

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3,475

136,8 kg/m2

135,7 kg/m2

68,4 kg/m2

A= 5,25 m2 x 20 = 105m2

Presión viento en el cajón

Pv=136,8 Kg/m2 x 105 m2 = 14.364 kg

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 básicaq en kg/m2

Altura sobre el suelo

(m)

Presión básicaq 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 137100 131 40 145150 141 50 151200 162 75 163300 186 100 170

150 182200 191300 209

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5,21 m2

A=5,25 m2

68 kg/m2

3.1.4.- Sismo

Se especifica mediante un coeficiente sísmico, que es en función de la aceleración del suelo durante la sacudida.

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

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3.2.- Combinación de cargas

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

q=2,157 ton/mt

P=149,882 ton

Como es simétrica en profundidad

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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

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

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

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q=2,157ton/m

37,47ton37,47ton

69,5 m

20 montantes

T = tracción

C = compresión

M d=7mC=T luego T= M/d

∑MA=0

∑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

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q=1,08 ton/m

T3,74ton

34,75 m

A)

T

7m

M

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

Areq ≥ 46,04 cm²

1) Tracción (viga inferior)

ft Fad

P/Areq 0,6 Ff

C=74,59 Ton

T = 74,59 Ton

20

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

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