Una armadura Howe es un puente de armadura que consta de cuerdas, verticales y diagonales cuyos elementos verticales están en tensión y cuyos elementos diagonales están en compresión. La armadura Howe fue inventada por William Howe en 1840 y se utilizó ampliamente como puente a mediados y fines del siglo XIX.
Los primeros puentes de Norteamérica estaban hechos de madera, que era abundante y más barata que la piedra o la mampostería. Los primeros puentes de madera solían tener el diseño de celosía Towne o Burr . Algunos puentes posteriores eran cerchas McCallum (una modificación de la cercha Burr). Alrededor de 1840, se añadieron varillas de hierro a los puentes de madera. La cercha Pratt utilizaba elementos verticales de madera en compresión con tirantes diagonales de hierro. La cercha Howe utilizaba varillas verticales de hierro en tensión con tirantes diagonales de madera. Ambas cerchas utilizaban contra-arriostramientos, que se estaban volviendo esenciales ahora que los trenes pesados utilizaban puentes. [1]
En 1830, Stephen Harriman Long recibió una patente para un puente de celosía de cuerdas paralelas totalmente de madera. El puente de Long contenía tirantes diagonales que estaban pretensados con cuñas. La celosía de Long no requería una conexión entre la diagonal y la celosía, y podía permanecer en compresión incluso cuando la madera se encogía un poco. [2]
William Howe era un contratista de construcción en Massachusetts cuando patentó el diseño de celosía Howe en 1840. [3] Ese mismo año, estableció Howe Bridge Works para construir puentes utilizando su diseño. [4] La primera celosía Howe jamás construida fue un puente de un solo carril, de 75 pies (23 m) de largo en Connecticut que llevaba una carretera. [1] El segundo fue un puente ferroviario sobre el río Connecticut en Springfield, Massachusetts . Este puente, que recibió muchos elogios y atención, [3] tenía siete vanos y una longitud de 180 pies (55 m). [1] Ambos puentes se erigieron en 1840. [3] [1] Uno de los trabajadores de Howe, Amasa Stone , compró por $ 40,000 [5] ($ 1,220,800 en dólares de 2023) en 1842 los derechos del diseño de puente patentado de Howe. Con su patrocinador financiero, Azariah Boody, Stone formó la empresa de construcción de puentes Boody, Stone & Co., [6] que erigió una gran cantidad de puentes de celosía Howe en toda Nueva Inglaterra . [5] Howe realizó mejoras adicionales a su puente y patentó un segundo diseño de celosía Howe en 1846. [7]
El puente de celosía Howe consta de un "cordón" superior e inferior, [a] cada cordón consta de dos vigas paralelas y cada cordón es paralelo entre sí. El alma [b] consta de verticales, tirantes y contratirantes. Los postes verticales conectan los cordones superior e inferior entre sí y crean "paneles". Un tirante diagonal en cada panel refuerza el puente, y un contratirante diagonal en cada panel mejora esta resistencia. [10] Los puentes de celosía Howe pueden ser completamente de madera, una combinación de madera y hierro, o completamente de hierro. [11] Cualquiera sea el diseño que se use, las vigas de madera deben tener extremos cuadrados sin mortaja ni espiga . [12] El diseño de una celosía Howe completamente de metal sigue el de la celosía de madera. [1]
Las paralelas en cada cuerda generalmente se construyen a partir de vigas más pequeñas, cada viga pequeña sujeta a otra para crear una viga continua. [13] En las cerchas Howe de madera, estas vigas delgadas generalmente no tienen más de 10 a 15 pulgadas (250 a 380 mm) de ancho y 6 a 8 pulgadas (150 a 200 mm) de profundidad. [1] En las cerchas de hierro, las vigas de la cuerda superior tienen la misma longitud que el panel. Las vigas de la cuerda superior generalmente están hechas de hierro fundido , mientras que las vigas de la cuerda inferior son de hierro forjado . [1] Se utiliza un mínimo de tres vigas pequeñas, [14] cada una uniforme en ancho y profundidad. [13] Las placas de unión se utilizan generalmente para empalmar las vigas. [14] (Las vigas del cordón inferior pueden tener ojos en cada extremo, en cuyo caso se unen con pernos, pasadores o remaches ). [1] En las cerchas de madera, se utilizan pasadores y pernos de hierro cada 4 pies (1,2 m) para conectar las vigas del cordón superior entre sí. [1] [c] En el cordón inferior de un puente de madera, se utilizan abrazaderas para acoplar las vigas entre sí. [1]
Aunque generalmente tienen la misma longitud, [12] las vigas se colocan de manera que un empalme (el punto donde se juntan los extremos de dos vigas) esté cerca del punto donde se juntan dos paneles [14] pero no adyacente al empalme en un par de vigas adyacentes. [13] [14]
Las vigas pequeñas individuales que forman un paralelo en una cuerda están separadas a lo largo de su lado largo por un espacio igual al diámetro de los postes verticales, [13] generalmente alrededor de 1 pulgada (25 mm). [1] Esto permite que los postes verticales pasen a través del paralelo en la cuerda. [13] Las placas de listón [d] se colocan en diagonal entre los miembros de una cuerda y se clavan en su lugar para reducir la flexión y actuar como una cuña para proporcionar ventilación entre los miembros de la cuerda. [16]
El tercio medio del cordón inferior siempre está reforzado por una o más vigas atornilladas al cordón. Este refuerzo es generalmente un sexto del ancho de la sección transversal del cordón inferior. [17] Si un cordón de madera necesita ser reforzado aún más, se pueden atornillar vigas delgadas adicionales al tercio medio de cada lado del cordón inferior. [12] Cuando se completa la construcción, el cordón superior de un puente de celosía Howe estará en compresión , mientras que el cordón inferior estará en tensión . [13]
Los postes verticales conectan los cordones superior e inferior y dividen la armadura en paneles. [13] La armadura Howe generalmente utiliza postes verticales de hierro o acero. [18] Estos son rectos y redondos, [1] ligeramente reducidos en circunferencia en los extremos y con una rosca de tornillo agregada. [18] El vertical generalmente pasa por el centro del bloque de ángulo [1] y luego a través del espacio dejado en el cordón superior e inferior. [14] Se utiliza una tuerca para asegurar el poste vertical al cordón. Se utilizan placas o arandelas especiales de madera o metal para ayudar a distribuir la tensión inducida por el poste vertical sobre los cordones. [18] [1] [e] Los postes verticales están en tensión, [13] que se induce al apretar las tuercas en las barras verticales. [19]
Los tirantes son vigas diagonales que conectan la parte inferior de un poste vertical con la parte superior del siguiente poste vertical. [13] Se colocan en el mismo plano que la cuerda. [14] A diferencia de los tirantes de hierro o acero que se construyen, los tirantes de madera se cortan a medida. [1] Cuando el paralelo en una cuerda tiene un espesor de X número de vigas, cada tirante debe tener un espesor de X menos 1 vigas. [13] [f] La relación profundidad-ancho de cada miembro de un tirante diagonal no debe ser mayor que la del tirante en su conjunto. [16] Los tirantes pueden ser de una sola pieza o de varias piezas empalmadas con una placa de unión. [14] Los tirantes están en compresión [13] debido al ajuste de las tuercas en los verticales. [19] [2]
Los contra-arriostramientos son vigas diagonales que conectan la parte inferior de un poste vertical con la parte superior del siguiente poste vertical, y corren aproximadamente perpendiculares a los tirantes. [13] Se colocan en el mismo plano que la cuerda, [14] generalmente son uniformes en tamaño, [17] y deben tener un espesor de una viga menos que un tirante. [13] A diferencia de los tirantes, los contra-arriostramientos son de una sola pieza. [14] En términos generales, un puente de seis paneles o menos (alrededor de 75 pies (23 m) de largo) no necesita contra-arriostramientos. Una cercha de ocho paneles requiere contra-arriostramientos en cada panel excepto los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos un cuarto de tan fuertes como los tirantes. Una cercha de 10 paneles requiere contra-arriostramientos en cada panel excepto los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos la mitad de tan fuertes como los tirantes. Un puente de cercha Howe se puede reforzar para lograr una relación de carga viva a carga muerta de 2 a 1. Si esta relación es de 2 a 1 o mayor, entonces una armadura de seis paneles debe tener contra-arriostramientos y estos deben ser al menos un tercio tan fuertes como los arriostramientos. Los contra-arriostramientos en una armadura de ocho paneles deben ser al menos dos tercios tan fuertes como los arriostramientos, y los contra-arriostramientos en una armadura de 10 paneles deben ser al menos iguales en resistencia a los arriostramientos. [12] Si se esperan cargas vivas de movimiento rápido de cualquier relación en la armadura Howe, los contra-arriostramientos utilizados en el panel central deben ser iguales en resistencia a los arriostramientos, y el panel al lado del panel del extremo debe tener contra-arriostramientos al menos la mitad de fuertes que los arriostramientos. [17]
Donde se juntan los tirantes diagonales y los contra-tirantes, generalmente se atornillan entre sí. [14]
Los tirantes y contratirantes se mantienen en su lugar con bloques angulares. [13] Los bloques angulares tienen una sección transversal triangular [13] y deben tener la misma altura [13] y ancho que el paralelo de la cuerda. [1] Los bloques angulares pueden estar hechos de madera o hierro, [13] aunque el hierro se usa generalmente para estructuras permanentes. [12] Los bloques angulares se unen al revés a la cuerda superior y al lado derecho hacia arriba a la cuerda inferior. [1] Los bloques angulares tienen orejetas: bridas o proyecciones que se usan para transportar, asentar o sostener algo. [15] Los extremos de los tirantes y contratirantes deben cortarse o fundirse para que descansen en ángulo recto contra el bloque angular. [10] [1] La orejeta superior puede ser una sola brida que encaja en una ranura cortada en la superficie de la diagonal, [1] o puede haber de dos a cuatro orejetas que formen una abertura en la que se asientan el tirante y el contratirante. Las diagonales se mantienen en su lugar apretando las tuercas en los postes verticales. [12] Se pueden clavar tacos a un bloque de ángulo de madera para ayudar a mantener los tirantes y los contratirantes asentados. Alternativamente, se puede perforar un orificio en la orejeta y el tirante/contratirante e insertar una clavija para mantener la viga en su lugar. [12] [g] Los bloques de ángulo de hierro deben tener un orificio en las orejetas superiores para que un perno pueda pasar a través de la orejeta y el tirante/contratirante, asegurando los tirantes en su lugar. [14] Las orejetas inferiores en un bloque de ángulo también tienen orificios fundidos en ellas, para permitir que el bloque de ángulo se atornille a la cuerda. [14] Se hacen dos o más orificios a través del centro del bloque de ángulo, para permitir que los postes verticales pasen y se anclen en el otro lado de la cuerda. [1]
Los paneles de los extremos son los cuatro paneles que se encuentran a cada lado del extremo de un puente de celosía Howe. Deben tener la misma altura que los cordones, pero no más. [12] El cordón superior no se extiende más allá del portal [17] (el espacio formado por los últimos cuatro postes verticales en cada extremo del puente). [20] Los paneles de los extremos solo necesitan un soporte, conectado desde la parte superior del último poste vertical hasta el extremo del cordón inferior. [17]
Los puntales se utilizan para conectar los dos paralelos de las cuerdas para evitar la flexión lateral y reducir la vibración. Se utilizan dos diagonales, que se conectan a la parte superior de los postes verticales. Una de las diagonales debe ser de una sola pieza, mientras que la otra está enmarcada en la primera pieza o hecha de dos piezas conectadas a ella. [21] Los tirantes en X, [h] generalmente hechos de varillas metálicas delgadas con extremos roscados, se instalan entre los postes verticales para ayudar a reducir el balanceo . [14] Los tirantes de rodilla, [i] generalmente barras planas con ojales en cada extremo, se utilizan para conectar el último puntal y los últimos postes verticales en ambos extremos del puente. [14]
Los paneles individuales se pueden prefabricar fuera del sitio. [11] Cuando los paneles se conectan entre sí en el sitio, se utilizan calzas para rellenar los espacios y se atornillan en su lugar. [16] [j]
Las vigas de piso se extienden entre los paralelos de una cuerda y se utilizan para sostener los largueros y la plataforma. Las vigas de piso pueden estar sobre la cuerda debajo de ellas, o pueden estar colgadas de los postes verticales. Las vigas de piso generalmente tienen la mayor profundidad de cualquier viga en el puente. Las vigas de piso generalmente se colocan donde se unen dos paneles. Si se colocan en algún lugar a mitad del panel, la cuerda debe reforzarse para resistir la flexión , el pandeo y el esfuerzo cortante . [18]
Los largueros son vigas colocadas sobre las vigas del piso, paralelas a las cuerdas. Un larguero puede tener una relación profundidad-ancho de entre 2 a 1 y 6 a 1. Se evita una relación mayor a 6 a 1 para evitar el pandeo. En la práctica, la mayoría de los largueros de madera tienen 16 pulgadas (410 mm) de ancho debido a limitaciones en el fresado. Por lo general, hay seis largueros en un puente. [18]
Para construir el tablero de un puente ferroviario es necesario que haya un larguero directamente debajo de cada raíl y que un larguero sostenga cada extremo de las traviesas del ferrocarril . Las traviesas suelen tener una sección transversal de 150 x 200 mm (6 x 8 pulgadas) y una longitud de 2,7 a 3,7 m (9 a 12 pies). Se colocan directamente sobre los largueros, a una distancia de aproximadamente 300 mm (12 pulgadas). Los pasamanos de protección de 150 x 200 mm (6 x 8 pulgadas) se colocan a 510 mm (20 pulgadas) del centro de las traviesas y se atornillan a cada tercer traviesa. [18]
La armadura interior de una armadura Howe es estáticamente indeterminada . Hay dos caminos para la tensión durante la carga, un par de diagonales en compresión y un par en tensión. Esto le da a la armadura Howe un nivel de redundancia que le permite soportar una carga excesiva (como la pérdida de un panel debido a una colisión). [23]
El preesfuerzo es fundamental para el correcto funcionamiento de una cercha Howe. Durante su construcción inicial, las diagonales se conectan a las juntas de forma poco precisa y dependen del preesfuerzo, realizado en una etapa posterior, para su correcto funcionamiento. Además, las diagonales en tensión solo pueden soportar tensiones por debajo del nivel de preesfuerzo. (El tamaño del elemento no importa debido al ajuste suelto de la diagonal a la junta). Por lo tanto, el preesfuerzo adecuado durante la construcción es fundamental para el correcto funcionamiento del puente. [24]
La tensión máxima se aplica en el centro de las cuerdas cuando una carga viva alcanza el centro del puente o cuando la carga viva se extiende a lo largo del puente. Tanto los postes verticales como los tirantes en el extremo del puente sufren la mayor cantidad de tensión. [12]
La tensión que afecta a los contrariostras depende de la relación entre la carga viva y la carga muerta por unidad de longitud y de cómo se distribuye la carga viva a lo largo del puente. Una distribución uniforme de la carga viva no ejercerá tensión sobre los contrariostras, mientras que si se aplica una carga viva solo sobre una parte del puente, se creará una tensión máxima sobre los contrariostras centrales. [12]
Debido a la tensión que recae sobre el puente, la armadura Howe es adecuada para tramos de 150 pies (46 m) de longitud o menos. [17] En una armadura Howe no se prevé ninguna expansión o contracción debido a cambios de temperatura. [14]
La armadura Howe era muy económica debido a su facilidad de construcción. Las piezas de madera se pueden diseñar utilizando poco más que una escuadra de acero y un punzón , y la armadura se puede enmarcar utilizando solo una azuela , una barrena y una sierra . [1] Los paneles se pueden prefabricar y transportar al lugar de construcción, y a veces incluso se pueden fabricar y ensamblar armaduras enteras fuera del lugar y transportarlas por ferrocarril al lugar previsto. [11] Se requiere algún tipo de cimbra , generalmente en forma de caballete , para erigir el puente. [21]
El desarrollo de las cerchas Pratt y Howe estimuló la construcción de puentes de hierro en los Estados Unidos. Hasta 1850, pocos puentes de hierro en el país tenían más de 50 pies (15 m). El diseño simple, la facilidad de fabricación y la facilidad de construcción de las cerchas Pratt y Howe impulsaron a Benjamin Henry Latrobe II , ingeniero jefe del ferrocarril de Baltimore y Ohio , a construir una gran cantidad de puentes de hierro. Después de dos famosos derrumbes de puentes de hierro (uno en los Estados Unidos, el otro en el Reino Unido ), pocos de estos se construyeron en el Norte . Esto significó que la mayoría de los puentes de hierro erigidos antes de la Guerra Civil estadounidense estaban ubicados en el Sur . Alrededor de 1867, se produjo un aumento en la construcción de puentes de hierro en todo Estados Unidos. Los diseños más utilizados fueron la cercha Howe, la cercha Pratt, la cercha Bollman , la cercha Fink y la cercha Warren . [1] [k] Las cerchas Howe y Pratt se popularizaron porque utilizaban muchos menos miembros. [28] El puente cubierto de madera de un solo tramo más largo del mundo construido en 1962 en el parque estatal Bridgeport, California, utiliza un Burr-Arch en combinación con la cercha Howe para lograr este tramo de más de 210 pies.
El único mantenimiento que requiere una armadura Howe es el ajuste de las tuercas en los postes verticales para igualar la tensión. [1] Las diagonales en una armadura Pratt de madera resultaron difíciles de mantener en un ajuste adecuado, por lo que la armadura Howe se convirtió en el diseño preferido para un puente de madera [1] o para un puente "de transición" de madera con verticales de hierro. [2] El profesor de ingeniería Horace R. Thayer, escribiendo en 1913, consideró que la armadura Howe era la mejor forma de puente de armadura de madera y creía que era el puente de armadura más utilizado en los Estados Unidos en ese momento. [29]
Las cerchas Howe de hierro fundido comenzaron a construirse alrededor de 1845. [2] Algunos ejemplos incluyen una cercha Howe de hierro de 50 pies (15 m) de largo construida para el ferrocarril de Boston y Providence [2] [30] y un puente ferroviario de 30 pies (9,1 m) de largo sobre el canal de Ohio y Erie en Cleveland. [31] [32]
Sin embargo, el hierro era el puente preferido para automóviles y ferrocarriles, y la armadura Howe no se adaptó bien a la construcción totalmente de hierro. [1] El sistema de arriostramiento diagonal único de la armadura Pratt significó menos costo, y su capacidad para usar largueros de hierro forjado debajo de los rieles y traviesas del ferrocarril, llevó a los constructores de puentes a favorecer el Pratt sobre el Howe. [28] [l] Las cargas vivas más pesadas, particularmente por ferrocarriles, llevaron a los constructores de puentes a favorecer los puentes de vigas de placa y de celosía Towne para tramos de menos de 60 pies (18 m), y los puentes de vigas Warren para todos los demás tramos. [28]
Las cerchas se han utilizado ampliamente en arquitectura desde la antigüedad. [33] La cercha Howe se utiliza ampliamente en edificios de madera, particularmente para brindar soporte a los techos. [34]
