FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
“DISEÑO DE UN PUENTE HIDRAÚLICO”
Autores: Johana Aguirre Toribio Lee Orbegoso Palomino Yessica Roldan Flores
Asesor: Ing. Giovene Pérez Campomanes
Línea de investigación: Diseño Hidráulico
CHIMBOTE – PERU 2015
ÍNDICE
Pág. ÍNDICE INTRODUCCIÓN
4
CAPÍTULO I
5
OBJETIVOS: 1.1. Objetivo general………….………………………………………………...5 1.2. Objetivos Específicos...………………………………..…………………..5
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO: 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.
5
Conceptos básicos……………………………………………………...5 La hidráulica en la construcción de puentes…………………..……..6 Puente hidráulico…………………………………………..……………7 El principio de Pascal en el funcionamiento de un Puente hidráulico………………………………….………….……8
CAPÍTULO III DESARROLLO DEL TEMA: 3.1. Materiales y herramientas………………………………………………….11 3.2. Procedimiento……………………………………………………………….12 3.3. Resultados…………………………………………………………………...14
CAPÍTULO IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: 4.1. Conclusiones………………………………………………………………..17 4.2. Recomendaciones………………………………………………………….18
BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA.............................................................19
INTRODUCCIÓN
La necesidad es la madre de la invención. Partiendo de esto el puente nace a partir de la simple necesidad de librar un obstáculo, para poder llegar al lugar deseado; tal vez sin pensarlo el hombre primitivo cruzo un árbol derribado, a partir de ello empezó a derribar árboles para librar abismos, ríos, etc. El presente proyecto responde a la necesidad de sistematizar un conjunto de conocimientos, experiencias y resultados, que en el ámbito de la Mecánica de fluidos (hidráulica) se han venido desarrollando y mejorando progresivamente, año tras año; observándose su aplicación en diversas estructuras modernas de nuestro entorno. Teniendo en cuenta la importancia que la Mecánica de fluidos tiene para la construcción de puentes hidráulicos, el trabajo va dirigido a todos los profesionales en ingeniería que desarrollan su labor mediante el uso de principios físicos y matemáticos. La manera sencilla, didáctica y asequible en que ha sido redactado y ejecutado el proyecto, hace posible su utilización: por los estudiantes de pre- grado de las profesiones de ingeniería y por cualquier persona interesada en la temática. A manera de síntesis, el siguiente trabajo busca incorporar el concepto de la Hidráulica mediante el uso del Principio de Pascal, velocidad, fuerza y presión; y su aplicación para el funcionamiento de un puente hidráulico. En este caso, se eligió elaborar un puente que se pueda levantar, de tal manera que pueda dar paso a barcos de gran envergadura, haciendo de los ríos y mares un medio de transporte para los barcos. El proyecto titulado “Diseño de un puente hidráulico” consta de las siguientes partes: Objetivos, marco teórico, desarrollo del tema, recomendaciones y conclusiones, bibliografía y linkografía y anexos. Cada una de ellas será desarrollada en forma amplia y fundamentada en leyes y principios teóricos que explican a detalle el concepto de la Hidráulica, en este caso se eligió crear un puente hidráulico accionado con jeringas que es el medio por el cual queremos demostrar el principio de Pascal. Finalmente, como resultado del proyecto podremos observar el funcionamiento de un puente hidráulico y la explicación de los conocimientos que son aplicados en estructuras de esta magnitud.
CAPÍTULO I
1. OBJETIVOS: 1.1.
OBJETIVO GENERAL: Presentar el diseño y funcionamiento de un puente hidráulico.
1.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS: Explicar un prototipo de puente hidráulico con el fin de adquirir conocimientos previos del tema a desarrollar. Aplicar los conocimientos aprendidos en el curso: Principio de Pascal. Explicar la relación que existe entre fuerza, presión para el funcionamiento del puente.
CAPÍTULO II 2. MARCO TEÓRICO: 2.1.
CONCEPTOS BÁSICOS: 2.1.1. Presión: La presión es una magnitud física vectorial que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. P=F/S Dónde:
F: Fuerza S: Área
La unidad más utilizada es el Pascal (Pa) = N / m2 2.1.2. Fluido: Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles y/o las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. 2.1.3. Fuerza: Es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales
2.1.4. Hidráulica: La hidráulica es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y empuje de la misma. 2.1.5. Principio: Un principio es una ley o regla que se cumple o debe seguirse con cierto propósito, como consecuencia necesaria de algo o con el fin de lograr cierto propósito. 2.1.6. Velocidad: La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa la distancia recorrida por un objeto por unidad de tiempo. 2.1.7. Sólido: Un cuerpo sólido es uno de los cuatro estados de agregación de la materia, se caracteriza porque opone resistencia a cambios de forma y de volumen. Sus partículas se encuentran juntas y correctamente ordenadas. 2.1.8. Líquido: El líquido es un estado de agregación de la materia en forma de fluido.
2.2.
LA HIDRÁULICA EN LA CONSTRUCCIÓN DE PUENTES: La Hidráulica es la tecnología que emplea un líquido, bien agua o aceite (normalmente aceites especiales), como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Básicamente consiste en hacer aumentar la presión de este fluido (el aceite) por medio de elementos del circuito hidráulico (compresor) para utilizarla como un trabajo útil, normalmente en un elemento de salida llamado cilindro. El uso de la tecnología hidráulica es muy variado, no solamente la podemos encontrar en el ámbito industrial, sino también en otros ámbitos, incluso relacionados con la vida real. Se emplea en la construcción, sobre todo relacionado con lo fluvial, ya sean compuertas, presas, puentes, tuberías, etc. Esto muestra que los aspectos hidráulicos son fundamentales en los puentes fluviales: un buen conocimiento de estos aspectos hará el puente más seguro y más barato. También se desprende que lo que se ha avanzado en el conocimiento de las estructuras, las cargas, los materiales y los procedimientos de construcción es mucho más que lo conocido sobre las acciones del agua. Pero no sólo la acción
del agua es el objeto de la hidráulica de puentes, sino también cuestiones de concepción del puente y de la misma vía, como son las dimensiones y el emplazamiento del puente. Para la construcción de un puente hidráulico se debe tener en cuenta los siguientes principios:
Una característica esencial para la construcción de un puente es su estabilidad fluvial, es decir, la garantía de que el río no modifique su cauce con efectos negativos para el puente. El fracaso más elemental de un puente es descubrir que se construye sobre seco, mientras el cauce del río se encuentre en otro lugar. Por ello es interesante el estudio en un tramo largo para elegir el cruce más estable, que puede ser por ejemplo un lugar en que se encuentre encajado el material duro y por tanto virtualmente inmóvil.
El conocimiento del río, hidrológico e hidráulico y sobre todo morfológico es muy útil en el estudio de la estabilidad necesaria para un puente. La historia del río, a través de cartografía y posiblemente fotografía aérea, puede ser una información valiosa. Pero también hay que conocer si en el futuro se proyectan obras o actuaciones que puedan modificar la estabilidad: así la construcción de una presa aguas arriba ó la extracción de áridos puede cambiar radicalmente la naturaleza del cauce.
Es importante tener en cuenta que un puente no será estable si no lo es el tramo fluvial comprometido. El río es por naturaleza esencialmente móvil y cambiante. En consecuencia, el estudio de un puente que interactúa con un río no puede independizarse del correspondiente estudio de la Hidráulica. La estabilidad fluvial, lograda durante cientos o miles de años por el río, puede verse seriamente alterada por la construcción de un puente, por ende es necesario tomar precauciones para evitar fallas que tienen como consecuencia grandes accidentes.
2.3.
PUENTE HIDRÁULICO: Un puente hidráulico es un tipo de puente móvil que se puede levantar con la ayuda de un circuito hidráulico para así permitir la entrada a través de un portón, o bien para permitir el tráfico marítimo a través de un cuerpo. La parte que se mueve se gira a través de un eje horizontal o a modo de bisagra.
2.3.1.
TIPOS DE PUENTES HIDRAULICOS: 2.3.1.1.
Puentes basculantes: Los puentes basculantes son los que giran alrededor de un eje horizontal situado en una línea de apoyo; se incluyen por tanto en ellos los levadizos y los basculantes
Figura N°01 Tomado de la página web http://puentehidraulicocolsaf2013.blogspot.com/
2.3.1.2.
Puentes giratorios: En los puentes giratorios de eje vertical caben, igual que en los basculantes, dos posibilidades de apertura: o bien girar dos vanos simétricos sobre una pila situada en el centro del canal de navegación, aunque en algún caso excepcional puede estar situada en un borde; o bien girar dos semivanos con sus compensaciones, sobre dos pilas situadas en los bordes del canal.
Figura N°02 Tomado de http://puentehidraulicocolsaf2013.blogspot.com/
2.3.1.3.
la
Puentes de elevación vertical: Los desplazamiento vertical son tableros apoyados, cuyos apoyos se pueden mover para elevarlos a la cota que requiere navegación.
página
web
puentes de simplemente verticalmente el barco de
Figura N°03 Tomado de http://puentehidraulicocolsaf2013.blogspot.com/
la
página
web
2.4.
EL PRINCIPIO DE PASCAL EN EL FUNCIONAMIENTO DE UN PUENTE HIDRÁULICO: En física, el principio de Pascal o Ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623 – 1662) que se resume en la frase: “El incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (liquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”. Es decir que si en el interior de un líquido se origina una presión, estas se transmiten con igual intensidad en todas las direcciones y sentidos. Una de las aplicaciones de esta Ley es en la “Prensa hidráulica” la cual consiste en dos cilindros conectados en su parte inferior de diferentes diámetros y que tienen dos émbolos o pistones y en los cuales si en uno de ellos se aplica una fuerza, la presión de un líquido, generalmente un aceite es la misma en todo el tramo. Si llamamos P a la presión de entrada en el émbolo menor y Q a la presión de salida en el émbolo mayor, entonces la presión de entrada es igual a la presión de salida P = Q , entonces si P=F/A F e /A e =F s /A s o sea fuerza de entrada sobre el área de entrada es igual a la fuerza de salida entre el área de salida.
Área de Entrada
Área de salida
Figura N°04 Tomado de la página web http://pueentegh.blogspot.com/
2.4.1. La presión en todo el fluido es constante: esta frase que resume de forma tan breve y concisa la ley de Pascal da por supuesto que el fluido está encerrado en algún recipiente, que el fluido es incompresible. El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.
Figura N°05 Tomado de la página web http://www.pepevasquez.com/HidraulicaPuentes.pdf
2.4.2. Aplicación de presión en jeringas: El largo del cilindro de la figura puede ser dividido en dos cilindros individuales del mismo diámetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre sí por una cañería. El mismo principio de transmisión de la presión puede ser aplicado, y la presión desarrollada en el pistón B va ser igual a la presión ejercida por el pistón A.
Figura N°06
Tomado de la página web http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica.htm
En esta aplicación la presión que hacemos en las jeringas provoca la transferencia de energía en el fluido. El puente hidráulico es una maquina simple (un artefacto mecánico que transforma una fuerza aplicada en otra resultante, modificando la magnitud de la fuerza, su dirección, la longitud de desplazamiento o una combinación de ellas) funciona como palanca.
CAPÍTULO III 3. DESARROLLO DEL TEMA: 3.1.
MATERIALES Y HERRAMIENTAS: 3.1.1. MATERIALES:
½ plancha de Mica Acrílica 8 jeringas de 60 ml ¼ de plancha MDP 4 soportes de vidrio acerados Fórmica 6 metros de manguera 4 abrazaderas grandes 4 abrazaderas chicas 1plancha de tecknopor 1 pliego de cartulina canson gris 1 papel crepé marrón Cartón 16 tornillos Pintura esmalte celeste y amarillo. Madera Plumones 1 frasco de silicona líquido
3.1.2. HERRAMIENTAS:
Taladro Martillo Moladora
3.2.
Wincha 2 tijeras 1 cortatecknopor 2 desarmadores: estrella y plano. 1 cuter
PROCEDIMIENTO: para la elaboración del puente hidráulico se siguió con los siguientes procedimientos: PRIMERO: Elaboración de moldes:
SEGUNDO: Trazado y cortes de materiales
TERCERO: Construcción de la maqueta
CUARTO: Pruebas previas de elevación
QUINTO: Maqueta de puente de Elevación Vertical
3.3. P=
RESULTADOS:
F A Hallando el área: D=3 cm 3cm * 1m = 0.03 m 100 cm A=
π D2 4
Reemplazando valores:
2
A=
π (0.03 m) −4 2 =7.06 ×10 m 4
Para 2 KG Convirtiendo a N
P=
1 Kg
9.81 N
2 Kg
X
X = 19.62 N
F A
Reemplazando valores: P=
19.62 N =27790 Pa=27.79 KPa 7.06 ×10−4 m2
Para 4 KG Convirtiendo a N
P=
1 Kg
9.81N
4 Kg
X
F A
Reemplazando valores:
X = 39.24 N
P=
39.24 N =55580 Pa=55.58 KPa 7.06 ×10−4 m2
Para 6 KG Convirtiendo a N
P=
1 Kg
9.81 N
6 Kg
X
X = 58.86 N
F A
Reemplazando valores: P=
58.86 N =83371 Pa=83.37 KPa −4 2 7.06 ×10 m
Demostrando el Principio de Pascal
P1=P2 P1=
F1 A1
P2=
………..Ecuac. (2) F2 A2
Ecuac. (3)
Ley de Pascal F1 F 2 = A 1 A2
F2 =F 1 ×
A2 A1
F1=
Hallando el
F2 A2 A1
………….Ecuac. (1)
A1 :
D=2 cm 2cm * 1m = 0.02 m 100 cm A=
πD 4
2
Reemplazando valores: π (0.02 m)2 A 1= =3.14 ×10−4 m2 4
Hallando el
A2 :
D=3 cm 3cm * 1m = 0.03 m 100 cm π D2 A= 4
Reemplazando valores: 2
A 2=
π (0.03 m) =7.06 ×10−4 m2 4
Para 6 Kg (58.86 N):
F2 =¿ 58.86 N
Remplazando datos en Ecuac. (1): F1=
F1=
F2 A2 A1 58.86 N =26.17 N 7.06 ×10−4 3.14 ×10−4 De la Ecuación (2):
P 1=
26.17 N =83371 Pa=83.371 KPa 3.14 ×10−4
De la Ecuación (3): P2=
58.86 N =83371 Pa=83.371 KPa 7.06× 10−4
CAPÍTULO IV 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: 4.1.
CONCLUSIONES: El Diseño y funcionamiento del puente hidráulico, nos permitió adquirir conocimientos básicos de presión, fuerza, fluido, hidráulica, etc; importantes para el buen desarrollo del proyecto. De los datos obtenidos se demostró con el Principio de Pascal, si 26.17 N con aplicamos F2 =¿ 58.86 N; obtenemos F1=¿ P1=P2=¿
=
83.37 KPa
, podemos deducir la fuerza se hace
mayor en superficies más grandes o disminuida según la superficie sobre la cual se aplique esta. Y como en todo el aparato hay una misma presión. Además podemos decir que la presión va aumentando a medida que la fuerza aumenta, según los datos
obtenidos para 2 Kg obtuvimos una
P=27.79 KPa
y para 6Kg
obtuvimos una P=83.37 KPa . La fuerza es la acción que modifica el estado de reposo o movimiento de los cuerpos y la presión puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie.La relación que existe entre ellos se da, cuando el fluido ésta contenido en las mangueras, ejerce una fuerza sobre sus paredes y también se ejerce una presión que depende no sólo de la magnitud de la fuerza, sino de la superficie sobre la cual se ejerce dicha fuerza. Según los resultados obtenidos nos hemos podida dar cuenta que mientras mayor es el diámetro del embolo, mayor es el área de superficie, y que con un área de superficie mayor, el pistón ejerce más fuerza. Entonces al aumentar la fuerza, también aumenta la presión del sistema.
4.2.
RECOMENDACIONES: a partir del proyecto realizado podemos plantear las siguientes recomendaciones: Considerar el principio de Pascal como una alternativa viable para una gran cantidad de actividades, ya que es un sistema que permite regular fuerzas y obtener de pequeñas fuerzas iniciales un rendimiento mucho mayor. Es imprescindible seguir un cronograma estricto de mantenimiento del sistema hidráulico, para evitar costos mayores.
BIBLIOGRAFIA Y LINKOGRAFÍA:
http://puentehidraulicocolsaf2013.blogspot.com/ http://bridgehidraulic.blogdiario.com/1400869708/como-y-porquefunciona-un-puente-hidraulico-/ http://pueentegh.blogspot.com/ http://www.areatecnologia.com/que-es-hidraulica.htm http://sitioniche.nichese.com/hidraulica.html http://www.pepevasquez.com/HidraulicaPuentes.pdf http://www.monografias.com/trabajos98/proyectostecnologicos/proyectos-tecnologicos.shtml http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica.htm
