¿Por qué los puentes arqueados son más fuertes que los puentes planos?

Para mantener la pregunta breve: en el diseño de puentes, ¿por qué se favorece la estructura de arco en comparación con una simple plana?

En otras palabras, ¿cómo altera la plataforma curva la descomposición de la fuerza de la carga en el puente, de modo que pueda soportar cargas más grandes? Imagino que intuitivamente la carga ya no se aplica de forma completamente normal (ortogonal) sobre el puente, pero no me convenzo.

Supongo que una explicación simple es que las barras soportan cargas más grandes bajo compresión que bajo extensión.
¿Podrías agregar una ilustración? Hay muchos tipos de puentes, también planos...
Si analiza los esfuerzos de flexión, en el diseño del arco, los esfuerzos de flexión son mucho más bajos.
Te animo a que busques el juego "Bridge Construction Set". Simula puentes y tu tarea como jugador es construir puentes cada vez más complicados. Claro, la simulación no será 100% precisa, pero es semirrealista, ¡y te dará mucho aprecio si miras puentes de la vida real (y otras construcciones similares) más tarde!
Observo que varias personas han votado para cerrar esto como algo fuera de tema como la ingeniería, pero no creo que se aplique esa razón de cierre. Preguntar sobre la razón por la cual los puentes de arco son más fuertes que los planos parece un tema aquí.

Respuestas (2)

La fractura ocurre bajo tensión, es decir, cuando tira de algo lo suficientemente fuerte, se rompe. La clave para comprender el diseño del arco depende de comprender que reduce la fuerza de tracción máxima.

Tome una viga simple, apóyela en los extremos y cuelgue algo del centro:

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Se necesita tensión en la parte inferior y compresión en la parte superior para equilibrar el par creado por las fuerzas verticales de los soportes y la carga en el medio. Obviamente, cuanto más separados estén los soportes, o mayor sea la carga, mayor será la tensión. Cuando esa tensión alcance un valor crítico, la viga fallará.

Ahora, si le damos forma al puente en un arco, obtenemos esto:

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Las fuerzas laterales adicionales en el arco causan compresión en la viga, esto reduce la tensión neta en la parte inferior y hace que la viga pueda soportar mejor la carga. Puede mejorar aún más las cosas distribuyendo la carga de manera más uniforme, diseñando la forma del arco para optimizar mejor la distribución de la carga, etc., pero el diagrama debería darle una idea del principio subyacente.

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Las fuerzas laterales quizás se entiendan más fácilmente observando una estructura en forma de V: usted sabe intuitivamente que tal estructura colapsaría a menos que proporcione un poco de torsión en el vértice para mantener las piernas juntas, o proporcione suficiente fricción en la base de las piernas para mantenerlos juntos. También puede ver que la fuerza necesaria cerca de la bisagra (que es proporcionada por la tensión roja de "tensión" en mi diagrama superior) debería ser mucho mayor que la fuerza proporcionada por la fricción en la parte inferior (fuerzas laterales del soporte en el arco).

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Muchas gracias Floris. Si no le importa, tengo un par de preguntas después de leer su respuesta, principalmente para comprender mejor los argumentos que ha proporcionado: i) en el caso plano, ¿por qué tenemos pares cuando los puntos finales del puente son fijos? ¿Es esto solo relevante cuando la carga está descentrada? ii) ¿por qué tenemos tensión solo en la parte inferior? Última pregunta: iii) ¿De dónde vienen las fuerzas laterales adicionales en el caso del arco? Muchas gracias de antemano por sus explicaciones, y también muy buenos diagramas.
i) los momentos de torsión se producen siempre que existe una fuerza que se aplica desplazada desde un punto fijo de suspensión. El punto de suspensión aquí son los puntos finales del puente. ii) Piensa en lo que sucede cuando doblas algo en un arco. La parte del interior del arco tiene que acortarse en relación con su longitud inicial y la parte exterior tiene que alargarse. La misma acción está sucediendo aquí. iii) Provienen de la fuerza normal de aquello sobre lo que se apoya el puente. La forma de un arco distribuye naturalmente parte de su peso lateralmente.
¿Por qué las fuerzas horizontales? El análisis estático (newtoniano) solo prueba que la fuerza horizontal en el pilar izquierdo y la del pilar derecho son iguales y opuestas (en este caso simétrico). No puede probar que son cero y, de hecho, no lo son, a menos que el puente sea infinitamente rígido. Fuerzas como esa se llaman "indeterminadas". Debe observar la deformación y la rigidez del puente para averiguar cuáles son esas fuerzas. Los detalles dependen de las propiedades del material y la construcción del puente. Si asume material uniforme, no es tan difícil. Este es un problema de ingeniería de primer año.
Para una versión simplificada del problema, imagine un puente en miniatura hecho de goma con una carga pesada, sentado sobre una mesa. No es difícil visualizar que el puente se doblará un poco y las piernas intentarán separarse. Excepto en un arco real, las patas están "atadas" encerradas en los cimientos, por lo que no pueden moverse. La base está empujando lateralmente las piernas para mantenerlas en su lugar; de ahí vienen las fuerzas horizontales. También puede ver que la cantidad de fuerza depende necesariamente de cuánto "quiere doblarse" el puente (su rigidez) y el análisis estático no puede determinar eso.

En general, las estructuras de "arco", como cerchas, etc., tienen una gran altura y menos peso propio. A mayor altura de una sección transversal, mayor valor del 'segundo momento de área' y por lo tanto menor tensión en las vigas. Entonces, esta técnica permite a los ingenieros diseñar estructuras que salvan largas distancias entre soportes (pilares, columnas, etc.) como este tipo de puente:

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Ahora, si quiere decir por 'arco' por qué la plataforma del puente es curva, la razón principal es que con esta técnica las tensiones de tracción de la plataforma de la viga disminuyen, y todos los materiales fallan bajo tensión antes de la compresión. También se minimiza la flecha vertical de la plataforma:

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Otro caso son los puentes de piedra con arcos que son bien conocidos desde la antigüedad:

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La siguiente imagen muestra cómo se distribuyen las cargas al suelo:

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Es interesante si buscas sobre el uso de la 'keystone', que se usa en este tipo de puentes:

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Finalmente, puede echar un vistazo a una respuesta mía anterior relevante .

Una buena respuesta, pero contiene una inexactitud: "todos los materiales fallan bajo tensión antes de la compresión". ¿Qué pasa con la cuerda? Más concretamente, un puente colgante está soportado por cables en tensión. Las únicas partes bajo compresión son las torres.
Sí, de hecho, de hecho, no todos, pero la mayoría de los materiales fallan bajo tensión. No entiendo a qué te refieres con los cables, 'funcionan' solo bajo tensión.
¿Por qué los puentes arqueados son más fuertes que los puentes planos?
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