Armadura Howe

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 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 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.

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.

William Howe era un contratista de construcción en Massachusetts cuando patentó el diseño de la armadura Howe en 1840. Ese mismo año, estableció Howe Bridge Works para construir puentes utilizando su diseño. La primera armadura Howe jamás construida fue un puente de un solo carril de 75 pies (23 m) de largo en Connecticut que llevaba una carretera. El segundo fue un puente ferroviario sobre el río Connecticut en Springfield, Massachusetts. Este puente, que recibió muchos elogios y atención, tenía siete tramos y una longitud de 180 pies (55 m). Ambos puentes se construyeron en 1840. Uno de los trabajadores de Howe, Amasa Stone, compró por $ 40,000 ($ 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 de Boody, Stone & Co., que construyó una gran cantidad de puentes de celosía Howe en toda Nueva Inglaterra. Howe realizó mejoras adicionales a su puente y patentó un segundo diseño de celosía Howe en 1846.

El puente de celosía Howe consta de un "cordón" superior e inferior, cada uno de los cuales consta de dos vigas paralelas y cada uno de los cordones paralelos entre sí. El entramado consta de montantes, 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. Los puentes de celosía Howe pueden ser completamente de madera, una combinación de madera y hierro, o completamente de hierro. Cualquiera sea el diseño que se utilice, las vigas de madera deben tener extremos cuadrados sin mortaja ni espiga. El diseño de una celosía Howe completamente de metal sigue el de la celosía de madera.

Las vigas paralelas de cada cordón suelen estar formadas por vigas más pequeñas, cada una de las cuales se sujeta a otra para crear una viga continua. En las cerchas de madera de Howe, estas vigas delgadas no suelen tener más de 250 a 380 mm (10 a 15 pulgadas) de ancho y de 150 a 200 mm (6 a 8 pulgadas) de profundidad. En las cerchas de hierro, las vigas del cordón superior tienen la misma longitud que el panel. Las vigas del cordón superior suelen estar hechas de hierro fundido, mientras que las vigas del cordón inferior son de hierro forjado. Se utilizan un mínimo de tres vigas pequeñas, cada una de ellas uniforme en ancho y profundidad. Normalmente se utilizan bridas para unir las vigas. (Las vigas del cordón inferior pueden tener ojales en cada extremo, en cuyo caso se sujetan entre sí con pernos, pasadores o remaches). 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. En el cordón inferior de un puente de madera, se utilizan abrazaderas para unir las vigas.

Aunque generalmente tienen la misma longitud, 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, pero no adyacente al empalme en un par de vigas adyacentes.

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, generalmente alrededor de 1 pulgada (25 mm). Esto permite que los postes verticales pasen a través del paralelo en la cuerda. Las placas de listones 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.

El tercio medio del cordón inferior siempre se refuerza con una o más vigas atornilladas al cordón. Este refuerzo es generalmente un sexto del ancho de la sección transversal del cordón inferior. Si es necesario reforzar aún más un cordón de madera, se pueden atornillar vigas delgadas adicionales al tercio medio de cada lado del cordón inferior. 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.

Los postes verticales conectan los cordones superior e inferior y dividen la cercha en paneles. La cercha Howe suele utilizar postes verticales de hierro o acero. Estos son rectos y redondos, con una circunferencia ligeramente reducida en los extremos y una rosca añadida. El poste vertical suele pasar por el centro del bloque angular y luego por el espacio que queda en el cordón superior e inferior. 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. Los postes verticales están en tensión, que se induce al apretar las tuercas en las barras verticales.

Los tirantes son vigas diagonales que conectan la parte inferior de un poste vertical con la parte superior del siguiente poste vertical. Se colocan en el mismo plano que la cuerda. A diferencia de los tirantes de hierro o acero que se construyen a mano, los tirantes de madera se cortan a medida. 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. La relación profundidad-ancho de cada miembro de un tirante diagonal no debe ser mayor que la del tirante en su conjunto. Los tirantes pueden ser de una sola pieza o de varias piezas unidas entre sí con una brida. Los tirantes están en compresión debido al ajuste de las tuercas en los verticales.

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. Se colocan en el mismo plano que la cuerda, generalmente son de tamaño uniforme y deben tener un espesor de una viga menos que un tirante. A diferencia de los tirantes, los contra-arriostramientos son de una sola pieza. 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 en los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos un cuarto tan fuertes como los tirantes. Una cercha de 10 paneles requiere contra-arriostramientos en cada panel excepto en los paneles de los extremos, y estos deben ser al menos la mitad 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 cercha de seis paneles debe tener contra-riostras y estas deben tener al menos un tercio de la resistencia de las riostras. Las contra-riostras en una cercha de ocho paneles deben tener al menos dos tercios de la resistencia de las riostras, y las contra-riostras en una cercha de 10 paneles deben tener al menos la misma resistencia que las riostras. Si se esperan cargas vivas de movimiento rápido de cualquier relación sobre la cercha Howe, las contra-riostras utilizadas en el panel central deben tener la misma resistencia que las riostras, y el panel junto al panel del extremo debe tener contra-riostras al menos la mitad de la resistencia de las riostras.

Donde se juntan los tirantes diagonales y los contra-tirantes, generalmente se atornillan entre sí.

Los tirantes y contratirantes se mantienen en su lugar con bloques angulares. Los bloques angulares tienen una sección transversal triangular y deben tener la misma altura y ancho que el paralelo de la cuerda. Los bloques angulares pueden estar hechos de madera o hierro, aunque el hierro se usa generalmente para estructuras permanentes. Los bloques angulares se fijan al revés a la cuerda superior y al derecho a la cuerda inferior. Los bloques angulares tienen orejetas (bridas o salientes que se usan para transportar, asentar o sostener algo). Los extremos de los tirantes y contratirantes deben cortarse o moldearse para que descansen en ángulo recto contra el bloque angular. La orejeta superior puede ser una sola brida que encaje en una ranura cortada en la superficie de la diagonal, o puede haber de dos a cuatro orejetas que formen una abertura en la que se asienten el tirante y el contratirante. Las diagonales se mantienen en su lugar apretando las tuercas en los postes verticales. Se pueden clavar grapas a un bloque angular de madera para ayudar a mantener los tirantes y contratirantes asentados. Como alternativa, se puede perforar un orificio en la orejeta y el tirante/contratirante e insertar una clavija para mantener la viga en su lugar. 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. Las orejetas inferiores de un bloque de ángulo también tienen orificios para permitir que el bloque de ángulo se atornille a la cuerda. Se hacen dos o más orificios en el centro del bloque de ángulo para permitir que los postes verticales pasen y se anclen en el otro lado de la cuerda.

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 las cuerdas, pero no más. La cuerda superior no se extiende más allá del portal (el espacio formado por los últimos cuatro postes verticales en cada extremo del puente). Los paneles de los extremos solo necesitan un soporte, conectado desde la parte superior del último poste vertical hasta el extremo de la cuerda inferior.

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 está enmarcada en la primera pieza o hecha de dos piezas conectadas a ella. Se instalan tirantes en X, generalmente hechos de varillas metálicas delgadas con extremos roscados, entre los postes verticales para ayudar a reducir el balanceo. Se utilizan tirantes de rodilla, generalmente barras planas con ojales en cada extremo, para conectar el último puntal y los últimos postes verticales en ambos extremos del puente.

Los paneles individuales se pueden prefabricar fuera del lugar de trabajo. Cuando los paneles se conectan entre sí en el lugar de trabajo, se utilizan cuñas para rellenar los espacios y se fijan con pernos.

Las vigas del piso se extienden entre los paralelos de una cuerda y se utilizan para sostener los largueros y la plataforma. Las vigas del piso pueden estar sobre la cuerda que está debajo de ellas o pueden colgarse de los postes verticales. Las vigas del piso generalmente tienen la mayor profundidad de todas las vigas del puente. Las vigas del 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.

Los largueros son vigas colocadas sobre las vigas del piso, paralelas a las cuerdas. Un larguero puede tener una relación de profundidad a 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.

Para construir la plataforma de un puente ferroviario es necesario que haya un larguero directamente debajo de cada riel y que un larguero sostenga cada extremo de las traviesas. 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.

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).

El pretensado 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 pretensado, realizado en una etapa posterior, para su correcto funcionamiento. Además, las diagonales en tensión solo pueden soportar tensiones por debajo del nivel de pretensado. (El tamaño del elemento no importa debido al ajuste suelto de la diagonal a la junta). Por lo tanto, el pretensado adecuado durante la construcción es fundamental para el correcto funcionamiento del puente.

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.

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.

Debido a la tensión que soporta el puente, la armadura Howe es adecuada para tramos de 150 pies (46 m) de longitud o menos. En una armadura Howe no se prevén dilataciones ni contracciones debidas a cambios de temperatura.

La armadura Howe era muy económica debido a su facilidad de construcción. Las piezas de madera se pueden diseñar utilizando tan solo una escuadra de acero y un punzón, y la armadura se puede enmarcar utilizando solo una azuela, una barrena y una sierra. 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 de construcción y transportarlas por ferrocarril al lugar previsto. Se requiere algún tipo de cimbra, generalmente en forma de caballete, para erigir el puente.

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 se ubicaron en el Sur. Alrededor de 1867, se produjo un auge 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. Las cerchas Howe y Pratt encontraron aceptación porque utilizaban muchos menos miembros. 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 el Howe-Truss para lograr esta longitud de más de 210 pies.

El único mantenimiento que requiere una armadura Howe es el ajuste de las tuercas de los postes verticales para igualar la tensión. 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 o para un puente "de transición" de madera con verticales de hierro. 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.

Las cerchas Howe de hierro comenzaron a construirse alrededor de 1845. Algunos ejemplos incluyen una cercha Howe de hierro de 50 pies (15 m) de largo construida para el ferrocarril de Boston y Providence y un puente ferroviario de 30 pies (9,1 m) de largo sobre el canal de Ohio y Erie en Cleveland.

Sin embargo, el hierro era el puente preferido para los automóviles y los ferrocarriles, y la armadura Howe no se adaptaba bien a la construcción totalmente de hierro. El sistema de arriostramiento diagonal simple de la armadura Pratt significó un menor 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 preferir el Pratt sobre el Howe. Las cargas vivas más pesadas, particularmente las de los ferrocarriles, llevaron a los constructores de puentes a preferir los puentes de vigas de placas y de celosía Towne para tramos de menos de 60 pies (18 m), y los puentes de vigas Warren para todos los demás tramos.

Las cerchas se han utilizado ampliamente en arquitectura desde la antigüedad. La cercha Howe se utiliza mucho en edificios de madera, en particular para dar soporte a los techos.

• White Mountain Central Railroad, un ferrocarril patrimonial en New Hampshire con lo que "aparece ser el único puente de ferrocarril Howe que queda en el mundo".

Notas

Citaciones

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