Una armadura Howe es un puente de armadura que consta de cuerdas, verticales y diagonales cuyos miembros verticales están en tensión y cuyos miembros diagonales están en compresión. La armadura Howe fue inventada por William Howe en 1840 y fue ampliamente utilizada como puente entre mediados y finales del siglo XIX.
Los primeros puentes de América del Norte 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 de celosía Burr . Algunos puentes posteriores fueron armaduras McCallum (una modificación de la armadura Burr). Hacia 1840 se añadieron varillas de hierro a los puentes de madera. La armadura Pratt utilizó miembros verticales de madera comprimidos con tirantes diagonales de hierro. La armadura Howe utilizó postes verticales de hierro con tirantes diagonales de madera. Ambas armaduras utilizaban contraarriostramientos, lo que se estaba volviendo esencial ahora que los trenes pesados usaban puentes. [1]
En 1830, Stephen Harriman Long recibió una patente para un puente de armadura de cuerdas paralelas totalmente de madera. El puente de Long contenía tirantes diagonales pretensados con cuñas. La armadura larga no requería una conexión entre la diagonal y la armadura, y podía permanecer comprimida incluso cuando la madera se contraía un poco. [2]
William Howe era un contratista de construcción en Massachusetts cuando patentó el diseño de armadura de Howe en 1840. [3] Ese mismo año, estableció Howe Bridge Works para construir puentes utilizando su diseño. [4] La primera armadura Howe jamás construida fue un puente de un solo carril y 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 atrajo muchos elogios y atención, [3] tenía siete tramos y 180 pies (55 m) de largo. [1] Ambos puentes fueron construidos en 1840. [3] [1] Uno de los trabajadores de Howe, Amasa Stone , compró por 40.000 dólares [5] ($1.220.800 en dólares de 2023) en 1842 los derechos sobre el diseño del puente patentado por 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 armadura Howe en toda Nueva Inglaterra . [5] Howe realizó mejoras adicionales a su puente y patentó un segundo diseño de armadura de Howe en 1846. [7]
El puente de armadura Howe consta de una "cuerda" superior e inferior, [a] cada cuerda consta de dos vigas paralelas y cada cuerda paralela entre sí. El alma [b] consta de verticales, arriostramientos y contraarriostramientos. Los postes verticales conectan los cordones superior e inferior entre sí y crean "paneles". Un tirante diagonal en cada panel fortalece el puente, y un contra tirante diagonal en cada panel mejora esta resistencia. [10] Los puentes de armadura Howe pueden ser completamente de madera, una combinación de madera y hierro, o completamente de hierro. [11] Cualquiera que sea el diseño utilizado, las vigas de madera deben tener extremos cuadrados sin mortajas ni espigas . [12] El diseño de una armadura Howe totalmente metálica sigue el de la armadura de madera. [1]
Los paralelos en cada cuerda generalmente se construyen a partir de vigas más pequeñas, cada una de las cuales está unida entre sí 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 cuerda superiores tienen la misma longitud que el panel. Las vigas de cordón superiores suelen estar hechas de hierro fundido , mientras que las vigas de cordón inferiores son de hierro forjado . [1] Se utiliza un mínimo de tres vigas pequeñas, [14] cada una de ellas uniforme en ancho y profundidad. [13] Las eclisas se utilizan generalmente para unir vigas. [14] (Las vigas de cuerda inferiores pueden tener ojos en cada extremo, en cuyo caso se sujetan entre sí con pernos, pasadores o remaches ). [1] En las cerchas de madera, se utilizan chavetas y pernos de hierro cada 4 pies (1,2 m). para conectar las vigas del cordón superior entre sí. [1] [c] En la cuerda inferior de un puente de madera, se utilizan abrazaderas para acoplar vigas entre sí. [1]
Aunque generalmente tienen la misma longitud, [12] las vigas se colocan de modo que un empalme (el punto donde se unen los extremos de dos vigas) esté cerca del punto donde se unen dos paneles [14] pero no adyacente al empalme en un par de vigas adyacentes. vigas. [13] [14]
Las pequeñas vigas 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 diagonalmente 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. [dieciséis]
El tercio medio de la cuerda inferior siempre está reforzado por una o más vigas atornilladas a la cuerda. Este refuerzo es generalmente de un sexto del ancho de la sección transversal del cordón inferior. [17] Si es necesario reforzar aún más una cuerda de madera, se pueden atornillar vigas delgadas adicionales al tercio medio de cada lado de la cuerda inferior. [12] Cuando se complete la construcción, la cuerda superior de un puente de celosía Howe estará comprimida , mientras que la cuerda inferior estará en tensión . [13]
Los postes verticales conectan los cordones superior e inferior y dividen la armadura en paneles. [13] La armadura Howe suele utilizar verticales de hierro o acero. [18] Estos son rectos y redondos, [1] ligeramente reducidos en circunferencia en los extremos y con una rosca agregada. [18] La vertical suele pasar por el centro del bloque angular [1] y luego por el espacio que queda en la cuerda 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 las cuerdas. [18] [1] [e] Los postes verticales están en tensión, [13] lo que se induce apretando las tuercas de 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 la medida. [1] Cuando el paralelo en un cordón tiene un espesor de X número de vigas, cada arriostramiento debe tener un espesor de X menos 1 vigas. [13] [f] La relación profundidad-ancho de cada miembro de una riostra diagonal no debe ser mayor que la de la riostra en su conjunto. [16] Los tirantes pueden ser de una sola pieza o de varias piezas unidas con eclisa. [14] Los tirantes están comprimidos [13] debido al apriete de las tuercas en los verticales. [19] [2]
Los contrariostras 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] son generalmente de tamaño uniforme, [17] y deben tener un espesor de una viga menor que una riostra. [13] A diferencia de los tirantes, los contrafrenos son de una sola pieza. [14] En términos generales, un puente de seis paneles o menos (aproximadamente 75 pies (23 m) de largo) no necesita contraarriostramiento. Una armadura de ocho paneles requiere contra-puntales en cada panel excepto en los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos un cuarto más fuertes que los tirantes. Una armadura de 10 paneles requiere contra-puntales en cada panel excepto en los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos la mitad de fuertes que los tirantes. Un puente de armadura Howe se puede reforzar para lograr una relación de carga viva a carga muerta de 2 a 1. Si esta proporción es de 2 a 1 o mayor, entonces una armadura de seis paneles debe tener contraarriostramientos y éstos deben ser al menos un tercio más fuertes que los arriostramientos. Los contra-arriostramientos en una armadura de ocho paneles deben ser al menos dos tercios más fuertes que los arriostramientos, y los contra-arriostramientos en una armadura de 10 paneles deben tener al menos la misma resistencia que los arriostramientos. [12] Si se esperan cargas vivas de cualquier proporción que se mueven rápidamente sobre la armadura Howe, los contra-arriostramientos utilizados en el panel central deben tener la misma resistencia que los arriostramientos, y el panel al lado del panel del extremo debe tener contra-arriostramientos en al menos la mitad de fuerte que los aparatos ortopédicos. [17]
Cuando se unen los arriostramientos diagonales y los contraarriostramientos, normalmente se atornillan entre sí. [14]
Los tirantes y contrapuntales se sujetan 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 suele utilizar para estructuras permanentes. [12] Los bloques angulares se fijan boca abajo a la cuerda superior y con el lado derecho hacia la cuerda inferior. [1] Los bloques angulares tienen orejetas: bridas o proyecciones que se utilizan para transportar, asentar o sostener algo. [15] Los extremos de los tirantes y contrapuntales deben cortarse o moldearse para que descansen directamente 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 forman una abertura en la que se colocan la riostra y la contrariostra. están sentados. Las diagonales se mantienen en su lugar apretando las tuercas de los postes verticales. [12] Los listones se pueden clavar a un bloque angular de madera para ayudar a mantener asentados los tirantes y contratirantes. Alternativamente, se puede perforar un orificio en la orejeta y el tirante/contrapuntal e insertar una clavija para mantener la viga en su lugar. [12] [g] Los bloques angulares de hierro deben tener un orificio moldeado en las orejetas superiores para que un perno pueda pasar a través de la orejeta y la riostra/contra-riostra, asegurando las riostras en su lugar. [14] Las orejetas inferiores de un bloque angular también tienen orificios moldeados para permitir que el bloque angular se aperne a la cuerda. [14] Se hacen dos o más agujeros a través del centro del bloque angular, 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 a cada lado del extremo de un puente de armadura Howe. Estos deben tener la misma altura que las cuerdas, pero no más. [12] La cuerda 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 refuerzo, conectado desde la parte superior del último poste vertical hasta el final de la cuerda inferior. [17]
Se utilizan puntales 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 debe estar enmarcada en la primera pieza o formada por dos piezas unidas a ella. [21] Los tirantes en X, [h] generalmente hechos de varillas metálicas delgadas con extremos roscados, se instalan entre postes verticales para ayudar a reducir el balanceo . [14] Las rodilleras, [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 pueden prefabricarse fuera del sitio. [11] Cuando los paneles se conectan entre sí en el sitio, se usan cuñas para empacar 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 soportar los largueros y la plataforma. Las vigas del piso pueden asentarse sobre la cuerda debajo de ellas o pueden colgarse de los postes verticales. Las vigas de piso generalmente tienen la mayor profundidad de todas las vigas del puente. Las vigas de piso generalmente se colocan donde se unen dos paneles. Si se colocan en algún lugar en el medio del panel, la cuerda debe reforzarse para resistir la flexión , el pandeo y el esfuerzo cortante . [18]
Los largueros son vigas colocadas encima de las vigas del piso, paralelas a las cuerdas. Un larguero puede tener una relación de profundidad a ancho de 2 a 1 a 6 a 1. Se evita una relación superior 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. Generalmente hay seis largueros en un puente. [18]
La construcción de la plataforma para un puente de ferrocarril requiere que un larguero se encuentre directamente debajo de cada riel y que un larguero sostenga cada extremo de los durmientes del ferrocarril . Las bridas suelen tener una sección transversal de 150 por 200 mm (6 por 8 pulgadas) y una longitud de 2,7 a 3,7 m (9 a 12 pies). Se colocan directamente encima de los largueros, a una distancia de aproximadamente 300 mm (12 pulgadas). Las barandillas de 6 por 8 pulgadas (150 por 200 mm) de sección transversal se colocan a 20 pulgadas (510 mm) del centro de los tirantes y se atornillan a cada tercer tirante. [18]
La armadura interior de una armadura de 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 al truss Howe un nivel de redundancia que le permite soportar cargas excesivas (como la pérdida de un panel debido a una colisión). [23]
El pretensado es fundamental para el funcionamiento adecuado de una armadura Howe. Durante su construcción inicial, las diagonales están conectadas sólo de manera suelta a las juntas y dependen del pretensado, realizado en una etapa posterior, para funcionar correctamente. Además, las diagonales en tensión sólo pueden soportar tensiones por debajo del nivel de pretensado. (El tamaño del miembro no importa debido al ajuste flojo de la diagonal a la junta). Por lo tanto, un pretensado 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 llega al centro del puente, o cuando la carga viva se extiende a lo largo del puente. Tanto los postes verticales como los tirantes al final del puente sufren la mayor cantidad de tensión. [12]
La tensión que afecta a las 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 las contrariostras, mientras que colocar la carga viva en solo una parte del puente creará una tensión máxima en las contrariostras centrales. [12]
Debido a la tensión ejercida 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 resultó muy económica debido a su facilidad de construcción. Las piezas de madera se pueden diseñar usando poco más que una escuadra de acero y un punzón , y la armadura se puede enmarcar usando sólo una azuela , una barrena y una sierra . [1] Los paneles podrían prefabricarse y transportarse al lugar de construcción y, a veces, incluso se podrían fabricar y ensamblar cerchas enteras fuera del sitio y transportarse 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 armaduras Pratt y Howe impulsó la construcción de puentes de hierro en los Estados Unidos. Hasta 1850, pocos puentes de hierro en el país medían más de 15 m (50 pies). El diseño simple, la facilidad de fabricación y la facilidad de construcción de las armaduras Pratt y Howe impulsaron a Benjamin Henry Latrobe II , ingeniero jefe del ferrocarril de Baltimore y Ohio , a construir un gran número de puentes de hierro. Después del colapso de dos famosos puentes de hierro (uno en Estados Unidos y el otro en el Reino Unido ), pocos de ellos se construyeron en el Norte . Esto significó que la mayoría de los puentes de hierro construidos 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 armadura Howe, la armadura Pratt, la armadura Bollman , la armadura Fink y la armadura Warren . [1] [k] Las armaduras Howe y Pratt tuvieron éxito porque utilizaron muchos menos miembros. [28] El puente cubierto de madera de un solo tramo más largo del mundo, construido en 1962, en Bridgeport State Park, California, utiliza un Burr-Arch en combinación con el Howe-Truss para lograr este tramo de más de 210'.
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 de una armadura Pratt de madera resultaron difíciles de mantener en el 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, consideraba que la armadura Howe era la mejor forma de puente de armadura de madera y creía que era el puente de armadura más comúnmente utilizado en los Estados Unidos en ese momento. [29]
Las armaduras Howe totalmente de hierro comenzaron a construirse alrededor de 1845. [2] Los ejemplos incluyen una armadura Howe de hierro de 50 pies (15 m) de largo que se construyó para el ferrocarril de Boston y Providence [2] [30] y una armadura Howe de 30 pies (9,1 m) largo puente ferroviario sobre el canal Ohio y Erie en Cleveland. [31] [32]
El hierro, sin embargo, era el puente preferido para automóviles y ferrocarriles, y la armadura Howe no se adaptaba 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 durmientes del ferrocarril llevó a los constructores de puentes a preferir 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 puentes de vigas Warren para todos los demás tramos. [28]
Las cerchas se han utilizado ampliamente en arquitectura desde la antigüedad. [33] La armadura Howe se usa ampliamente en edificios de madera, particularmente para proporcionar soporte al techo. [34]