Celosía Howe

Los primeros puentes de Norteamérica se construían con madera, un material abundante y más económico que la piedra o la mampostería. Los primeros puentes de madera solían ser celosías del tipo Towne o del tipo Burr. Algunos puentes posteriores eran cerchas del tipo McCallum (una modificación de la celosía Burr). Alrededor de 1840, se añadieron varillas de hierro a los puentes de madera. La celosía Pratt utilizaba elementos verticales de madera en compresión, con tirantes diagonales de hierro. La cercha Howe utilizaba varillas verticales de hierro a tracción con tirantes diagonales de madera. Ambas cerchas utilizaban contra-arriostramiento, un elemento que se estaba volviendo esencial para el diseño de puentes para el ferrocarril.^[1]

En 1830, Stephen Harriman Long recibió una patente para un puente de celosía de cuerdas paralelas, construido íntegramente en madera. El puente de Long contenía tirantes diagonales pretensados con cuñas. La celosía Long no requería una conexión entre la diagonal y la celosía, y podía permanecer en compresión incluso cuando la madera se contraía ligeramente.^[2]

William Howe era un contratista de construcción en Massachusetts cuando patentó en 1840 el diseñó de la celosía que lleva su nombre.^[3] Ese mismo año, estableció la Howe Bridge Works para construir puentes usando su diseño. ^[4] La primera celosía Howe se dispuso en un puente de 75 pies (22,9 m) de luz y un solo carril localizado en Connecticut, que soportaba el paso de 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 módulos y medía 180 pies (54,9 m) de largo.^[1] Ambos puentes se erigieron en 1840.^[3][1] Uno de los trabajadores de Howe, Amasa Stone, compró por 40.000 dólares^[5] ($1 290 000 en 2025 dólares) en 1842, los derechos del diseño patentado del puente de Howe. Con el apoyo financiero de Azariah Boody, Stone fundó la empresa constructora de puentes Boody, Stone & Co.,^[6] que construyó 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.^[6]

El puente de celosía Howe consta de un cordón superior y de uno inferior.^[8] Cada cordón consta de dos vigas paralelas, y ambos cordones son paralelos entre sí. El alma ^[10] 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 aumenta esta resistencia.^[11] Los puentes de celosía Howe pueden ser completamente de madera, una combinación de madera y hierro, o completamente de hierro.^[12] Cualquiera que sea el diseño utilizado, las vigas de madera deben tener extremos rectos sin cajeado. ^[11] El diseño de una celosía Howe completamente metálica se basa en el de la celosía de madera.^[1]

Los cordones paralelos se construyen generalmente a partir de vigas más pequeñas, de forma que cada viga pequeña se sujeta a otras para crear una viga continua.^[11] En cerchas Howe de madera, estas vigas delgadas no suelen tener más de 10 a 15 pulgadas (25,4 a 38,1 cm) de ancho y 6 a 8 pulgadas (15,2 a 20,3 cm) de profundidad.^[1] En cerchas de hierro, las vigas del cordón superior tienen la misma longitud que el panel. Las vigas del cordón superior suelen estar hechas de fundición de hierro, mientras que las vigas del cordón inferior son de hierro forjado.^[1] Se utiliza un mínimo de tres vigas pequeñas,^[13] cada una uniforme en ancho y profundidad.^[11] Generalmente se utilizan eclisas (bridas atornilladas) para empalmar vigas.^[13] Las vigas del cordón inferior pueden tener ojales en cada extremo, en cuyo caso se fijan con pernos, pasadores o remaches.^[1] En cerchas de madera, se utilizan pernos Cotter cada 4 pies (1,2 m) para conectar las vigas del cordón superior entre sí.^{[1] [14]} En el cordón inferior de un puente de madera, se utilizan sargentas para acoplar las vigas.^[1]

Aunque generalmente tienen la misma longitud,^[11] las vigas se colocan de manera que un empalme (el punto donde se unen los extremos de dos vigas) esté cerca del punto donde se unen dos paneles,^[13] pero no adyacente al empalme de un par de vigas adyacentes.^[11][13]

Las vigas pequeñas individuales que forman una paralela en un cordón están separadas en su lado longitudinal por un espacio igual al diámetro de los postes verticales,^[11] generalmente de aproximadamente 1 pulgada (2,5 cm).^[1] Esto permite que los postes verticales pasen a través de la paralela en el cordón.^[11] Las placas de listón ^[15] se colocan diagonalmente entre los elementos del cordón y se clavan para reducir la flexión y actuar como separadores entre los elementos del cordón.^[13]

El tercio medio del cordón inferior siempre está reforzado por una o más vigas con pernos unidas al cordón. Este refuerzo generalmente tiene un sexto del ancho de la sección transversal del cordón inferior.^[11] Si es necesario reforzar aún más un cordón de madera, se pueden atornillar vigas esbeltas adicionales al tercio medio de cada lado del cordón inferior.^[11] Una vez finalizada la construcción, el cordón superior de un puente de celosía Howe trabajará a compresión, mientras que el cordón inferior trabajará a tracción.^[11]

Entramado

Los montantes verticales conectan los cordones superior e inferior y dividen la cercha en módulos.^[11] La cercha Howe usualmente usa elementos verticales de hierro o acero,^[13] rectos y de sección redonda,^[1] ligeramente reducidos en circunferencia en los extremos, y con una rosca añadida.^[13] Los elementos verticales usualmente pasan a través del centro del bloque angular^[1] y luego a través del espacio dejado en el cordón superior e inferior.^[13] Una tuerca se usa para asegurar el montante vertical al cordón. Placas especiales o arandelas de madera o de metal se usan para ayudar a distribuir la tensión inducida por el montante vertical sobre los cordones.^[13][1][16] Los elementos verticales quedan sometidos a tracción,^[11] que se induce apretando las tuercas dispuestas en el extremo de las barras verticales.^[12]

Los tirantes son vigas diagonales que conectan la parte inferior de un montante vertical con la parte superior del siguiente.^[11] Se colocan en el mismo plano que los cordones.^[13] A diferencia de los tirantes de hierro o acero, a los que se da forma en un taller, los tirantes de madera se cortan a medida.^[1] Cuando la paralela de un cordón tiene un espesor de x vigas, cada tirante debe tener un espesor de x - 1 vigas.^[11][17] La relación profundidad-ancho de cada elemento de un tirante diagonal no debe ser mayor que la del tirante en su conjunto.^[13] Los tirantes pueden ser de una sola pieza o de varias piezas unidas mediante bridas.^[13] Los tirantes quedan sometidos a compresión,^[11] debido al apriete de las tuercas en los montantes verticales.^[12][2]

Los contraarriostramientos son vigas diagonales que conectan la parte inferior de una barra vertical con la parte superior de la siguiente barra vertical, y discurren aproximadamente perpendiculares a los arriostramientos.^[11] Se colocan en el mismo plano que los cordones,^[13] generalmente tienen un tamaño uniforme,^[11] y deben tener un espesor de una viga menor que el del arriostramiento.^[11] A diferencia de los arriostramientos, los contraarriostramientos son de una sola pieza.^[13] En general, un puente de seis módulos o menos (de aproximadamente 75 pies (22,9 m) de largo) no necesita contraarriostramientos. Una cercha de ocho módulos requiere contraarriostramientos en cada módulo, excepto en los extremos, y estos deben tener al menos un cuarto de la resistencia de los arriostramientos. Una cercha de 10 módulos requiere contraarriostramientos en cada uno, excepto en los extremos, y estos deben tener al menos la mitad de la resistencia de los arriostramientos. Un puente de celosía Howe puede reforzarse para lograr una relación en tre carga de uso y peso propio de 2 a 1. Si esta relación es de 2 a 1 o mayor, una celosía de seis módulos debe tener contrarriostras, cuya resistencia debe ser al menos un tercio de la de las riostras. Las contrarriostras en una celosía de ocho paneles deben tener al menos dos tercios de la resistencia de las riostras, y en una celosía de 10 módulos, la resistencia de las contrarriostras debe ser al menos igual a la de las riostras.^[11] Si se prevén cargas de uso de movimiento rápido de cualquier relación sobre la celosía Howe, las contrarriostras utilizadas en el panel central deben tener la misma resistencia que las riostras, y el módulo contiguo al módulo del extremo debe tener contrarriostras con una resistencia al menos de la mitad de la de las riostras.^[11]

En los puntos de encuentro de los arriostramientos diagonales y los contra-arriostramientos, estos suelen atornillarse.^[13]

Las riostras y las contrarriostras se mantienen en su lugar mediante bloques angulares,^[11] que son de sección triangular longitudinalmente^[11] y deben tener la misma altura^[11] y ancho que el cordón.^[1] Pueden estar hechos de madera o de hierro,^[11] aunque el hierro se usa generalmente para estructuras permanentes.^[11] Los bloques angulares se unen en un sentido al cordón superior y en el sentido contrario al cordón inferior.^[1] Los bloques angulares tienen orejetas para disponer bridas o cajas de asiento, con el fin de fijar la posición de las diagonales.^[7] Los extremos de las riostras y las contrarriostras deben cortarse o fundirse para que descansen en ángulo recto contra los bloques angulares.^[11][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 asientan la riostra y la contrarriostra. Las diagonales se mantienen en su lugar apretando las tuercas de las barras verticales.^[11] Se pueden clavar cornamusas a un bloque angular de madera para ayudar a mantener las riostras y las contrarriostras asentadas. Alternativamente, se puede perforar un agujero en la orejeta y la riostra/contrarriostra e insertar una clavija para mantener la viga en su lugar.^[11][18] Los bloques angulares de hierro deben tener unas orejetas superiores perforadas para que un perno pueda pasar a través de la orejeta y la riostra/contrarriostra, asegurándolas en su lugar.^[13] Las orejetas inferiores de un bloque angular también tienen orificios para atornillarlas al cordón.^[13] Se perforan dos o más orificios en el centro del bloque angular para que los postes verticales pasen y se anclen al otro lado del cordón.^[1]

Los dos módulos de los extremos reúnen cuatro cercos especiales, dos a cada lado en un puente de celosía Howe. Deben tener la misma altura que los cordones, pero no más.^[11] El cordón superior no debe sobrepasar la altura del pórtico^[11] (el espacio formado por las cuatro últimas barras verticales en cada extremo del puente).^[7] Los cercos de los extremos solo necesitan un tirante, conectado desde la parte superior de la última barra vertical hasta el extremo del cordón inferior.^[11]

Se utilizan riostras para conectar los dos cordones paralelos, evitando la flexión lateral y reduciendo las vibraciones. Se utilizan dos diagonales que se conectan a la parte superior de las barras verticales. Una de las diagonales debe ser de una sola pieza, mientras que la otra debe estar enmarcada en la primera pieza o compuesta por dos piezas conectadas a ella. ^[11] Los tirantes en X,^[19] Generalmente se hacen con barras metálicas delgadas con extremos roscados, y se instalan entre las barras verticales para reducir la deformabilidad de la celosía.^[13] Los tirantes de rodilla,^[20] generalmente unas barras planas con ojales en cada extremo, se utilizan para conectar el último puntal y las últimas barras verticales en ambos extremos del puente.^[13]

Los cercos individuales pueden prefabricarse en taller antes de ser puestos en obra.^[12] Cuando se conectan entre sí, se utilizan calzas para rellenar los espacios y se atornillan en su lugar.^[13][21]

La celosía interior de una celosía Howe es hiperestática. Existen dos elementos para absorber las tensiones generadas por las cargas: un par de diagonales a compresión y un par de ellas a tracción. Esto proporciona a la celosía Howe un nivel de redundancia que le permite soportar sobrecargas excepcionales, como las generadas por la pérdida de un cerco debido a una colisión.^[12]

El pretensado es fundamental para el correcto funcionamiento de una celosía Howe. Durante su construcción, las diagonales se conectan de forma flexible a las juntas y dependen del pretensado, realizado posteriormente, para su correcto funcionamiento. Además, las diagonales a tracción solo pueden soportar tensiones inferiores al nivel de pretensado. El tamaño del elemento no importa, debido al ajuste flexible de la diagonal a la junta. Por lo tanto, un pretensado adecuado durante la construcción es fundamental para el correcto funcionamiento del puente.^[12]

La tensión máxima se alcanza en el centro de los cordones cuando una carga viva alcanza el centro del puente o cuando esta se extiende por todo el puente. Tanto las barras verticales como los tirantes en los extremos del puente soportan las mayores tensiones.^[11]

La tensión que afecta a las contrarriostras depende de la relación entre la carga viva y la carga muerta por unidad de longitud y de cómo se distribuye la carga viva en el puente. Una distribución uniforme de la carga viva no ejercerá tensión sobre las contrarriostras, mientras que aplicar la carga viva solo en una parte del puente creará la máxima tensión en las contrarriostras centrales.^[11]

Debido a la tensión ejercida sobre el puente, la cercha Howe es adecuada para vanos de 150 pies (45,7 m) de longitud o menos.^[11] Los efectos de la expansión o de la contracción debidos a los cambios de temperatura no son significativos en una cercha Howe de esta longitud.^[13]

La cercha Howe resultó muy económica gracias a su facilidad de construcción. Las piezas de madera se pueden diseñar utilizando solo la escuadra de carpintero y punzones, y los cercos se pueden ajustar utilizando solamente azuelas, barrenos y sierras.^[1] Estos cercos se podían prefabricar y transportar a la obra, y en ocasiones incluso cerchas completas se podían fabricar y ensamblar fuera de la obra y transportar por ferrocarril a la ubicación prevista.^[12] Se requiere algún tipo de apeo provisional, generalmente en forma de caballetes, para erigir el puente.^[11]

El desarrollo de las cerchas Pratt y Howe impulsó la construcción de puentes de hierro en Estados Unidos. Hasta 1850, pocos puentes de hierro en el país superaban la longitud de 50 pies (15,2 m). El diseño simple, la sencillez 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 un gran número de puentes de hierro. Tras dos famosos derrumbes de puentes de fundición de hierro (uno en los Estados Unidos y el otro en el Reino Unido), pocos de ellos se construyeron en el Norte de Estados Unidos. Esto significó que la mayoría de los puentes de hierro construidos antes de la Guerra de Secesión se ubicaron en el sur del país. 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 celosía Bollman, la celosía Fink y la viga Warren.^[1][24] Las cerchas Howe y Pratt se popularizaron porque utilizaban muchos menos elementos.^[1] En el puente cubierto de madera de Bridgeport Stage Park, California, se utilizó un arco Burr en combinación con una cercha Howe para lograr un vano de 210 pies (64,0 m). Construido en 1962, es el puente de madera cubierto de un solo vano más largo del mundo.

El único mantenimiento que requiere una cercha Howe es el ajuste de las tuercas de las barras verticales para equilibrar la tensión.^[1] Las diagonales en una cercha Pratt de madera resultaban difíciles de mantener correctamente ajustadas, por lo que la cercha Howe se convirtió en el diseño preferido para un puente de madera^[1] o para un puente "de transición" de madera con montantes verticales de hierro.^[2] El profesor de ingeniería Horace R. Thayer, en un escrito de 1913, consideraba que la cercha Howe era el mejor tipo de puente de cercha de madera y creía que era el puente de celosía más utilizado en Estados Unidos en aquel entonces.^[13]

Las cerchas Howe de hierro comenzaron a construirse alrededor de 1845.^[2] Los ejemplos incluyen una cercha Howe de hierro de 50 pies (15,2 m) de luz construida para el Ferrocarril de Boston y Providence^[2][25] y un puente ferroviario de 30 pies (9,1 m) de luz sobre el Canal de Ohio y Erie en Cleveland.^[26][27]

Sin embargo, los puentes totalmente de hierro pasaron a ser los más habituales para los automóviles y los ferrocarriles, y la cercha Howe no se adaptaba bien a la construcción íntegramente en hierro.^[1] El sistema de arriostramiento diagonal único de la cercha Pratt implicaba un menor coste, y su posibilidad de usar largueros de hierro forjado bajo los rieles y las traviesas del ferrocarril, llevó a los constructores de puentes a preferir la cercha Pratt sobre la Howe.^[1][28] Las cargas vivas más pesadas, especialmente las de los ferrocarriles, llevaron a los constructores de puentes a preferir los puentes de celosía Towne o de viga cajón para tramos menores a 60 pies (18,3 m), y los puentes de vigas Warren para todos los demás casos.^[1]

Las cerchas se han utilizado ampliamente en arquitectura desde la antigüedad.^[29] La cercha Howe se utiliza ampliamente en edificios de madera, especialmente para soportar techos.^[29]

• El Ferrocarril Central de White Mountain, un ferrocarril histórico en New Hampshire, cuenta con lo que "parece ser el único puente ferroviario Howe que queda en el mundo"^[30] aunque el puente del río Susquehanna de Amtrak también se describe como un puente de "cercha Howe".