Las vigas U postensadas y pre-losas prefabricadas son una nueva forma de concebir la superestructura de un puente para formar una sección cajón, por lo que el uso de este tipo de solución se pudiera implementar en la terminación del viaducto de Matanzas. Una vez analizado el estado del arte de las vigas U postesadas, su evolución e implementación en diferentes proyectos, se afirma que estas vigas pueden ser utilizadas para la conformación de puentes que tengan que desarrollar una curva, pues posibilitan mayor estética, reducción de las vigas a utilizar y una disminución del costo del proyecto. Se definió una serie de elementos para la conceptualización geométrica de la superestructura de un puente curvo con sección cajón prefabricado utilizando la Norma AASTHO LRFD Bridge Design Specifications y documentos que se rigen por esta normativa. Para el dimensionamiento de una viga U curva se tiene en cuenta diferentes elementos donde lo más importante es la eficiencia de la sección, del radio de la curva a seguir y la base de la sección de la viga. Se concibió geométricamente una propuesta de vigas U postesadas y pre-losas prefabricadas para implementarla en la continuidad y terminación del viaducto de Matanzas partiendo de los elementos analizados. Se elaboró la conceptualización de los moldes para las pre-losas y vigas propuestas, lo que proporciona una primera idea para su construcción. Este trabajo es un acercamiento a este sistema de viga y losa, donde se enfocan diferentes elementos para realizar una conceptualización geométrica de la superestructura de un puente en Cuba.
Palabras claves: vigas U postensadas; pre-losas prefabricadas; conceptualización; moldes.
Índice
Introducción
Capítulo I: Acercamiento a la concepción de puentes curvos de hormigón postensado de sección cajón.
1.1 Componentes estructurales de puentes.
1.2 Reseña historia de la evolución de los puentes
1.3 Puentes de hormigón pretensado.
1.4 Ventajas y desventajas del hormigón pretensado en la construcción de puentes.
1.5 Puentes de vigas.
1.6 Formas de concebir una sección cajón para puentes.
1.7 Superioridad de la viga U postensada curvada horizontalmente.
1.8 Construcción de las vigas U
1.9 Losa de cierre.
1.10 Moldes para la creación de vigas.
1.11 Moldes para la creación de losas.
1.12 Actualidad de los puentes postensados en Cuba.
1.13 Implementación de puentes vigas cajón en Matanzas.
Conclusiones Parciales
Capítulo II Conceptualización de las vigas U postensadas curvas y pre-losas prefabricadas.
2.1 Concepción de las vigas.
2.1.1 Dimensionamiento.
2.1.2 Análisis de estabilidad de la viga con radio constante.
2.1.3 Eficiencia de la sección.
2.1.4 Peralto de la sección
2.1.5 Grosor de paredes.
2.1.6 Diafragmas.
2.1.7 Distancia entre vigas.
2.1.8 Espaciamiento entre vigas.
2.1.9 Construcción de la viga.
2.1.10 Transportación.
2.2 Pre-losas.
2.2.1 Pre-losas interiores
2.2.2 Pre-losas exteriores.
2.3 Moldes.
2.3.1 Cama superior.
2.3.2 Cama inferior.
2.3.3 Molde de las losas para voladizo.
2.3.4 Moldes para pre-losas interiores
Conclusiones Parciales.
Capítulo III. Implementación conceptual de sección cajón para puentes curvos con vigas postensadas y pre-losas prefabricadas.
3.1 Implementación de vigas U postensadas curvas en la etapa final del viaducto de Matanzas.
3.2 Dimensionamiento de la viga.
3.2.1 Resultados del análisis de la estabilidad de la viga.
3.2.2 Eficiencia de la sección.
3.2.3 Peralto de la sección.
3.2.4 Grosor de paredes.
3.2.5 Longitud de las vigas
3.2.6 Espaciamiento entre vigas.
3.3 Concepción de las pre-losas
3.4 Concepción de los moldes.
3.4.1 Construcción de los moldes de las vigas.
3.4.1.1Cama inferior.
3.4.1.2 Cama Superior.
3.4.2 Construcción de los moldes de losa.
3.4.2.1 Moldes losas con voladizo (exteriores).
3.4.2.2 Moldes losas sin voladizo (interiores).
Conclusiones Parciales.
Conclusiones
Recomendaciones
BIBLIOGRAFÍA
Anexos
Anexo No. 1 Plano Concepción de vigas U. (Ver carpeta de anexos)
Declaración de Autoridad
Por medio de la presente, declaro que yo Raydel Domínguez Montenegro soy el único autor de este Trabajo de Diploma y, en calidad de tal, autorizo a la Universidad de Matanzas a darle el uso que estime más conveniente.
Nota de Aceptación
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Dedicatoria.
A mis padres por ser faro y guía en todos estos años de arduo esfuerzo para conseguir este triunfo, porque nunca dejaron de creer en mí, por hacer este sueño realidad.
Agradecimientos.
A mis tutores Ing. Beatriz Martínez Pedraza y Lic. Ing. Pedro Hernández Delgado sin los cuales esta investigación no hubiese sido posible por todo su esfuerzo y dedicación gracias.
A mi mamá por darme lo que no tiene, por hacer esfuerzos gigantes para poder graduarme, por sus noches de desvelo, por todo ese amor que me profesa, por todos los consejos dados, por eso y muchos más, gracias.
A mi padre por darme todo su amor y cariño y ayudarme a enfrentar todos los obstáculos que se me han presentado en el camino.
A mi novia Griseys Mederos por todo ese amor y compresión que me brinda día a día y por su ayuda incondicional.
A mi tata Karla, a Sara y Rita por todo el cariño que me han dado.
A mima Mildo y abuelo Raúl, a mima Cirial y abuelo Fermín, a mis tíos y primos gracias por apoyarme siempre.
A todas aquellas personas que desde que llegué a la universidad me bridaron su mano para atravesar este largo camino.
A mis compañeros de aula que hoy son ingenieros y a los que no siguieron por cosas de la vida, en especial a Christian que más que un compañero es un hermano.
A la Dra. Marian mi hermana que aunque no la vea todos los días siempre estuvo para darme un buen consejo. A ella y toda su familia, gracias.
En la universidad pude realizar mi sueño de ser “artista”, a todas las personas de casa de cultura muchas gracias, en especial a Noraya, Ania y Luisito
Al profe Tato por darme la oportunidad de conocer sobre la carrera de Turismo y darme excelentes consejos.
A Sonia Benavides por bridarme siempre su ayuda.
Al profesor Tomas Espinosa por ser más que un profesor, un amigo.
A todos los profes del departamento de construcciones por brindarme sus conocimientos y prepararme como futuro ingeniero en especial a Braga, Lima, Recondo, Alejandro, Manuel, Reina, Homero y Carlos.
Al Ruben por su ayuda desde los primeros años en la carrera.
A mis actuales compañeros de aula en especial a Xiomara, César, Luis David, Richard, Sara, Narciso, Sandra, Canito, Niuris, Lester, Lesly e Iris, el Peque, Troya.
A Jorge Inda por ser más que un compañero de aula, un verdadero amigo y un hermano.
A todos con los que compartí en las fiestas, en especial a Álvaro.
Resumen
Las vigas U postensadas y pre-losas prefabricadas son una nueva forma de concebir la superestructura de un puente para formar una sección cajón, por lo que el uso de este tipo de solución se pudiera implementar en la terminación del viaducto de Matanzas. Una vez analizado el estado del arte de las vigas U postesadas, su evolución e implementación en diferentes proyectos, se afirma que estas vigas pueden ser utilizadas para la conformación de puentes que tengan que desarrollar una curva, pues posibilitan mayor estética, reducción de las vigas a utilizar y una disminución del costo del proyecto. Se definió una serie de elementos para la conceptualización geométrica de la superestructura de un puente curvo con sección cajón prefabricado utilizando la Norma AASTHO LRFD Bridge Design Specifications y documentos que se rigen por esta normativa. Para el dimensionamiento de una viga U curva se tiene en cuenta diferentes elementos donde lo más importante es la eficiencia de la sección, del radio de la curva a seguir y la base de la sección de la viga. Se concibió geométricamente una propuesta de vigas U postesadas y pre-losas prefabricadas para implementarla en la continuidad y terminación del viaducto de Matanzas partiendo de los elementos analizados. Se elaboró la conceptualización de los moldes para las pre-losas y vigas propuestas, lo que proporciona una primera idea para su construcción. Este trabajo es un acercamiento a este sistema de viga y losa, donde se enfocan diferentes elementos para realizar una conceptualización geométrica de la superestructura de un puente en Cuba.
Palabras claves: vigas U postensadas; pre-losas prefabricadas; conceptualización; moldes.
Abstract
The post-tensioned U-beam and precast pre-slabs are a new form to conceive the superstructure of a bridge to form a box section. That is why the use of this solution could be carried out to finish Matanzas viaduct. Once analyzed the state of the art of the post-tensioned U-beams, its evolution and implementation in different projects, it can be asserted that these beams can be used for the conformation of bridges that develop a curve because they enable a greater aesthetics, a reduction of the beams to be used and a decreasing in the cost of the project. It was defined a series of elements for the geometrical conceptualization of the superstructure of a curved bridge with a precast box section using the AASTHO LRFD Bridge Design Specifications’ Regulation and documents that are subjected to this regulation. It was taking into account different elements to determine the dimensions of a curved U-beam, where the most important aspects are the section efficiency, the radius of the curve to be fallow and the base of the beam section. It was conceived, geometrically, a proposal of post-tensioned U-beams and precast pre-slabs to be implemented in the continuation and ending of the Matanzas viaduct, taking into account the elements previously analyzed. It was elaborated the casts for the pre-slabs and beams that were proposed, what provides a first idea of its construction. This work is an approach to this system of beam and slab, where different elements are focused to accomplish a geometrical conceptualization of the superstructure of a bridge in Cuba.
Keywords: post-tensioned U-beam, precast pre-slabs, conceptualization, casts.
Introducción
Desde sus inicios el hombre ha construido puentes para unir dos puntos de interés con diferentes materiales, siendo el hormigón pretensado uno de los utilizados en la concepción de los diferentes elementos de los puentes.
El aumento de los flujos vehiculares ha obligado al hombre a crear nuevas vías de comunicación con el objetivo de facilitar una disminución de éstos, a través de intersecciones a desnivel o puentes donde su trazado vial contemple curvas. Con la utilización de vías U postensadas se ha posibilitado la creación de dichas construcciones con una mayor estética, disminución de los costos y vigas a utilizar. Este tipo de construcción ha sido utilizado con éxito en los Estados Unidos de América.
En los últimos años en Cuba, se ha experimentado un incremento de la circulación vehicular, existiendo en las horas picos congestionamientos en las principales calzadas y avenidas de las ciudades, por lo que se hace necesario concebir nuevos viales que den respuesta a este aumento del tráfico.
Un ejemplo de lo anterior se expresa en la ciudad de Matanzas, donde la única vía que permite el flujo vehicular entre la barriada de Versalles con el centro de la ciudad de Matanzas, es el puente Lacret Morlot (La Concordia), el cual data de más de un siglo de construcción, marcado con un notable deterioro. Para dar una solución a la continuidad y terminación del viaducto de la provincia, facilitando la comunicación del transporte automotor entre ambas barriadas, la Empresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería (EMPAI) de la provincia de Matanzas, se encuentra inmersa en concebir puentes con un mayor atractivo, de acorde a las nuevas formas de construcción.
Con los resultados de la presente investigación, el autor propone una solución teórica con el empleo de pre-losas y vigas de sección U a la propuesta de continuidad del viaducto de Matanzas concebida por el estudiante Yunior R. Rodríguez de quinto año de la carrera de Ingeniería Civil de la Universidad de Matanzas.
Esta obra a construir forma parte de un proyecto, el cual consta de diferentes fases en su ciclo de vida, siendo éstas: de concepción, definición, implementación, operación y desactivación. La conceptualización geométrica de la superestructura de puente curvo con sección cajón prefabricado, está concebida en la primera etapa del mismo, la cual está sustentada en vigas U postesadas y losas prefabricadas colocadas en su tope para la conformación de una sección cajón y losas que salven una luz entre dichas vigas. Esta concepción constituye una novedad para la construcción de puentes en Cuba.
Teniendo en cuenta los aspectos expuestos con anterioridad, el autor concibe como problema de investigación el siguiente:
Problema de investigación: ¿Cómo lograr la conceptualización geométrica de la superestructura de un puente curvo con sección cajón prefabricado en Cuba?
Objetivo general:
- Conceptualizar geométricamente de la superestructura de un puente curvo con sección cajón prefabricado en Cuba.
Objetivos Específicos:
- Analizar el estado del arte del diseño de vigas postensadas curvas tipo U para puentes curvos.
- Definir procedimiento para la conceptualización geométrica de la superestructura de un puente curvo con vigas U postensadas.
- Implementar la conceptualización geométrica de la superestructura de un puente curvo con vigas U postensadas para la continuidad y terminación del viaducto de Matanzas.
- Diseñar moldes para los elementos de la superestructura de un puente curvo con radio constante.
Campo de acción.
Conceptualización geométrica de vigas de sección U postesadas y losas prefabricadas para puentes curvos con radio constante.
Objeto de estudio.
Vigas de secciones U postensadas para puentes curvos y losas prefabricadas para formar una sección cajón.
La presente investigación constituye un acercamiento al estudio de vigas postensadas con sección U en Cuba. El autor, para conformar la presente tesis, consultó una variada bibliografía en idioma inglés, al ser muy escasa en idioma español, posibilitando con ello la compilación de información relevante sobre estos tópicos. De igual forma, en Cuba no existe normativa para la construcción de las vigas propuestas, por lo que se hizo necesario acudir a normas como son: “AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) LRFD Bridge Design Specifications” y diferentes documentos asociados a ésta, para la conceptualización de las vigas y las pre-losas a utilizar y de esta forma conformar la sección de la superestructura del puente para su implementación en la continuidad y terminación del viaducto.
La conceptualización de los elementos de la superestructura del puente, fue realizado con la utilización de diferente software, como son: SketchUp Pro 2018, AutoCAD 2017, Autodesk Structural Analysis Professional 2018.
Para dar respuesta a los objetivos concebidos, se utilizaron un conjunto de métodos de científicos, entre los que se destacan:
Analítico - Sintético: Permitió analizar la información existente a nivel internacional sobre la utilización y forma de creación de los elementos componentes de los puentes curvos con vigas de sección U postensadas y un sistema de losas prefabricadas. Este método se manifestó en el análisis de la bibliografía y la síntesis de la información consultada.
Histórico-Lógico: Proporcionó exponer de forma correcta la evolución de los materiales utilizados en la creación de los puentes y los diferentes formas de sus elementos.
Modelación: Facilitó el diseño de las losas y vigas de la superestructura de un puente de sección cajón, utilizando como herramientas diferentes softwares de diseños.
La presente tesis presenta determinados valores, destacándose entre ellos:
Económico: La adecuación de esta tipología en Cuba sustituirá la forma de creación de los puentes curvos y la posibilidad de creación de nuevas formas de intersección posibilitando con esto las necesidades de satisfacer las necesidades del tránsito y permitir una mejor fluidez, seguridad vial y confort.
Social: Al aplicarse esta propuesta, se facilitará una forma segura y cómoda del flujo vehicular entre La Habana y el balneario de Varadero, preservando al mismo tiempo los valores del patrimonio del casco histórico de la ciudad de Matanzas.
Metodológico: Una vez realizada el dimensionamiento de los componentes para su implementación en los puentes curvos, se aporta a las empresas especializadas una herramienta pionera para el posterior estudio de otros aspectos de los elementos a utilizar en la creación de los puentes curvos.
Es importante señalar el aporte teórico de la presente investigación, al realizarse una compilación relevante de información en idioma español sobre la concepción de puentes con vías postensadas, la cual podrá ser utilizada como base bibliográfica en los contenidos que sobre este tópico pueda incorporarse en la formación de pregrado y postgrado.
El aporte práctico, se sintetiza en la conceptualización de las vigas y losas para la formación de superestructura de un puente, la cual puede tener una curva en su trazado vial. Esta propuesta puede ser aplicada en la continuidad y culminación del viaducto de Matanzas.
Estructura de la tesis.
Resumen.
Índice.
Introducción.
Se detalla el protocolo de investigación, donde se plantea la situación problémica, problema científico, objetivo general y objetivos específicos, los métodos de investigación utilizados y los principales valores que presenta la presente tesis.
Capítulo I: Acercamiento a la concepción de puentes curvos de hormigón postensado de sección cajón.
En él se refleja el estado del arte del hormigón postensado en puentes, recopilándose información bibliográfica sobre la implementación de los materiales utilizados cronológicamente en los puentes, la viabilidad de la viga de sección U para puentes curvos y la implementación de diferentes tipos de pre-losas.
Capítulo II: Conceptualización de las vigas U postensadas curvas y pre losas prefabricadas.
Se describen diferentes componentes a tener en cuenta para el diseño geométrico de los elementos de la superestructura de los puentes de sección cajón prefabricados, utilizando vigas U y pre-losas.
Capítulo III: Implementación conceptual de sección cajón para puentes curvos con vigas postensadas y pre-losas prefabricadas.
Este capítulo referencia, así como los análisis realizados en el segundo capítulo, se puede dar solución conceptual a la creación de las vigas U postensadas y las losas pre-fabricadas para conformar una sección cajón y proponerla para la creación de la etapa final del viaducto. Además se conciben conceptualmente los moldes para los elementos en cuestión.
Conclusiones.
Concluida la investigación, según la situación problémica y la aplicación de los métodos de investigación, se obtienen conclusiones partiendo de los objetivos específicos planteados.
Recomendaciones.
Bibliografía.
Anexos.
Capítulo I: Acercamiento a la concepción de puentes curvos de hormigón postensado de sección cajón.
Los puentes en cierta medida hacen más fácil la comunicación terrestre en todos los sentidos pues con el simple hecho de acortar distancias de un punto a otro, independientemente de los escenarios geográficos adversos, ahorrar tiempo, asegurar la transportación, constituyen una ganancia y factibilidad para su diseño y construcción. Es por ello que los hombres se dieron a la tarea de edificar puentes cada vez más resistentes y en armonía con el medio ambiente.
Otro elemento de gran significado, es la necesidad de la resistencia que deben disponer los puentes a partir de las cargas que soportan, su propio peso y la intensidad del tráfico vehicular, por lo que la selección de materiales resistentes para los diferentes componentes estructurales ha sido de suma importancia para la perpetuidad de éstos.
En el presente capítulo se exponen los diferentes criterios y conceptos vinculados con los puentes, en particular a los de vigas tipo U a nivel internacional y la utilización de un sistema de losas prefabricadas, para formar de conjunto con la viga U una sección cajón.
1.1 Componentes estructurales de puentes.
Los puentes están conformados por diferentes elementos estructurales, los cuales poseen una función propia, haciendo que trabajen como un todo integral. Dichos elementos están ubicados en la superestructura o en la subestructura. Aspectos cuyas definiciones son tomadas de la Norma Americana “AASTHO LRFD Bridge Design Specification” los cuales se abordan a continuación. Ellos se reflejan en la fig. 1.1
Subestructura: Conjunto de elementos estructurales de un puente encargados de transmitir las acciones desde la superestructura a la infraestructura.
Cimentación: Parte de la obra que constituye su base o apoyo y a través de la cual se transmiten las cargas de la estructura al terreno.
Estribo: Elemento vertical que constituye el apoyo extremo de los tramos exteriores de un puente.
Pila: Elemento vertical que constituye los apoyos de los tramos interiores de un puente.
Superestructura: Conjunto de elementos estructurales de un puente que soportan directamente las acciones que se producen como consecuencia del cumplimiento de su propia misión funcional.
Tablero de puente: Estructura de un puente sobre la que se coloca el pavimento para transitar y que descansa sobre la estructura de las vigas, arcos, etc., dispuestos en toda su longitud.
Vigas: Reciben esta denominación por ser los elementos que permiten salvar el vano, pudiendo tener una gran variedad de formas.
Diafragmas: Son vigas transversales a las anteriores y sirven para su arrostramiento. En algunos casos pasan a ser vigas secundarias cuando van destinadas a transmitir cargas del tablero a las vigas principales. Estas vigas perpendiculares pueden recibir otras denominaciones como viguetas.
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Fig.1.1 Elementos de un puente. Fuente: Alberto Villarino Otero. Libro Puentes
La forma, tipo de materiales u otros componentes han presentado una evolución en el tiempo, asociada al propio desarrollo de la ciencia y la técnica, siendo necesario realizar un esbozo histórico de la evolución de los puentes.
1.2 Reseña historia de la evolución de los puentes.
Los primeros puentes se realizaron de materiales cuya resistencia y durabilidad era ínfima si la comparamos con los materiales de hoy. Las lianas o cuerdas, madera y piedra fueron los primeros materiales utilizados para la creación de las diferentes tipologías de puentes, destacándose tres grandes familias: rectos, arcos y colgados.
A finales de siglo XVIII se construye el puente de Coalbrookdale (1776-1779) sobre el Severn en Inglaterra, siendo el primer puente de fundición que dio lugar a la época más brillante de historia de los puentes, introduciéndose un nuevo material, el hierro, posibilitando la creación de puentes metálicos.
A finales del siglo XIX, cien años después de la iniciación de los puentes metálicos, se empezó a utilizar el acero para construir puentes, el primero cuya estructura principal fue de acero es el de San Luis sobre el rio Mississippi en los Estados Unidos, proyecto de James B. Eads en 1874.
Otro de los materiales de gran impacto para diferentes acciones constructivas, entre ellas los puentes en el siglo XIX, es el hormigón armado. Se le atribuye la invención del hormigón a John Smeaton en la construcción del faro de Eddystone en Reino Unido en 1774 y a Joseph Aspdin la regulación de los componentes del cemento portland en 1824.
El primer puente de hormigón armado es la pasarela de Chazelet (Francia), se construyó en 1875, con una luz de 16,5 m y 4 m de ancho por Joseph Monier lo cual facilitó construcciones de puentes de grandes luces a inicios del siglo XX, ejemplo de ello es el Ivry sobre el Sena (Francia) en 1930, el cual fue una pasarela triangulada de 134,5 m de luz. El puente de Villeneuve-St. Georges sobre el mismo rio, con una viga continúa de alma llena con luz máxima de 78 m, terminado en 1939.
A inicios del siglo XX, comienzan las investigaciones para disponer de un material más resistente y económicamente más viable, el hormigón pretensado. Las primeras tentativas fue del norteamericano P.H Jackson y del francés Freyssinet; pero fracasaron en sus inicios, al no disponer de acero de alta resistencia.
Este último autor, logra a finales de la década del 30 del pasado siglo, la introducción del hormigón pretensado en la construcción de puentes con la edificación del puente de Oelede en Alemania, con un tramo biapoyado de 31 m de luz y formado por cuatro vigas doble T, separadas entre sí 1,4 m.
Después de la Segunda Guerra Mundial, la construcción de puentes siguió su avance, con el objetivo de reconstruir los puentes devastados por la guerra o construir otros que facilitaran la comunicación terrestre. Para ello se continuo utilizándose el acero y generalizándose el hormigón pretensado, introduciéndose una variante de éste con los puentes en voladizo, siendo la primera referencia el del puente de Balduinstein, sobre el Lahn en 1950, de 62 m de luz en Alemania.
Con posterioridad comienza la construcción de puentes por dovelas en avance en voladizo en la antigua Unión Soviética y en Europa Occidental, siendo significativo el puente de Almodóvar en España, dirigido y proyectado por Carlos Fernández Casado.
El hormigón como material para la construcción de puentes evolucionó en el tiempo, a partir de la introducción de nuevas ideas de diferentes investigadores e ingenieros. Ejemplo de ello es el ingeniero Eugene Freyssinet, el cual fue el impulsor de convertir los conceptos de pretensado del hormigón en realidad.
1.3 Puentes de hormigón pretensado.
El hormigón pretensado ha demostrado ser técnicamente ventajoso. Mirando 50 años atrás, la construcción de puentes prefabricados ha tenido un constante crecimiento y también el aumento del tamaño y peso de las piezas. Sin embargo el desarrollo no es el mismo en diferentes países, en algunos la construcción de puenteS pretensados es muy usada como por ejemplo en Bélgica, Italia, Países Bajos, España, Reino Unido y también Canadá y Estados Unidos, donde el mercado del hormigón pretensado en puentes abarca más del 50%; estos países poseen un extensivo rango de soluciones y técnicas tanto para proyectos pequeños como grandes y el pretensado juega un papel importante en el diseño y ejecución de los proyectos.(José Calavera, 2004).
Tomando como ejemplo a los EE.UU como país, desde 1970 hasta el 2011 ha construido 373 670 puentes, de los cuales 24,45 % son de hormigón, 10,69 % son de hormigón continuo, 17,45 % son de acero, 7, 95 % acero continuo, 6,50% pretensado continuo, 2,85 % de madera 0,01 % de albañilería, 0,38 % de aluminio y hierro fundido, 0,15% de otro tipo y 29,46 % de éstos son de hormigón pretensado, apreciándose a simple vista un amplio uso del hormigón pretensado en la construcción de puentes(Pielstick & Inc., 2015)
Este material es económico tanto para puentes de claros medios, donde se emplean elementos pretensados estándar producidos en serie, como para puentes de grandes claros como son los puentes lanzados o atirantados. En la actualidad un gran porciento de los puentes a nivel mundial se construyen con esta tipología, y es además una de sus áreas más exitosas.
Este material posee diferente soluciones típicas; entre los sistemas que se utilizan para puentes de hormigón pretensado tenemos: Losas extruidas o alveolares pretensadas con losa in situ, vigas postensadas con losa, ambas in situ, vigas T, I o cajón con losa in situ, vigas de sección cajón, de una sola pieza o en dovelas, pretesadas o postesadas.
Independientemente de la maximización que ha presentado el uso del hormigón pretensado en la construcción de puentes, éstos presentan determinadas ventajas y desventajas, aspectos que se abordarán a continuación.
1.4 Ventajas y desventajas del hormigón pretensado en la construcción de puentes.
El avance del prefabricado de hormigón pretensado durante sus 65 años de historia es en gran medida incremental y metódico. Las mejoras en materiales, fabricación, eficiencias de construcción, tamaños, formas de productos, garantía de calidad y la confiabilidad resultó en un crecimiento constante de la industria.
En corto tiempo, no solo se ha proporcionado una nueva solución en la industria del hormigón prefabricado, sino también a la comunidad de diseño, donde se ha abierto un nuevo segmento del mercado para fabricantes de puentes, donde por primera vez se están construyendo varios puentes trapezoidales de viga en forma de caja con luces que se aproximan a los 80m.
Los productos horizontalmente curvados generalmente no han sido considerados debido a procesos de planta profundamente arraigados, encofrado complejo y otras restricciones que sean superados recientemente.(Nickas & Dick, 2015).
El desarrollo ha facilitado a esta nueva e importante tecnología:
- La capacidad de formar, emitir, manejar y transportar vigas de más de 2,4 m de peralto con longitudes de una sola pieza de más de 60m.
- El desarrollo y uso generalizado de concreto confiable de alto rendimiento que- proporciona alta resistencia, baja permeabilidad, ganancia de fuerza rápida y adecuada fluidez.
- Numerosas técnicas que permiten el empalme en el campo de vigas de hormigón prefabricado en orden para reducir el tamaño de las piezas individuales que facilita la manipulación y el transporte mientras se alcanzan tramos muy largos, en algunos casos más de 80 m.
- Innovación en la fabricación de formas de acero que brinda la capacidad de adaptarse un conjunto variable de condiciones. Esto incluye la capacidad de crear formas de vigas complejas curvadas horizontalmente con radios variables en la misma forma ajustable y reutilizable.
- El desarrollo de equipos de acarreo únicos que pueden transportar con seguridad- grandes cargas permitidas de hasta 1512 kN en vías públicas.
- La disponibilidad de grandes grúas móviles que pueden levantar estas pesadas vigas.
- Comercialización y disponibilidad de software que permite el análisis de estadísticas y esquemas que incluye los cambios estructurales en las propiedades de sección que pueden ocurrir durante la erección, incluyendo la consideración de fluencia y contracción, así como también la determinación de deflexiones y cambios durante la construcción.
- Los elementos se fabrican en un lugar distinto del puente, permitiendo simultanear su fabricación con la construcción de otros elementos del puente como cimentaciones, pilas y estribos, con la consiguiente reducción de plazos de construcción.
- Se puede disponer de mayor espacio de fabricación pues incluso se pueden utilizar varias fábricas, ventaja especial si en la obra existe disponible sólo un espacio reducido.
- Una mayor resistencia permite disminuir la sección necesaria y con ello el peso de la pieza y la magnitud de los medios de transporte y montaje necesarios para la construcción.
- Las tolerancias de fabricación, la calidad del acabado y el Control de Calidad son mejores.
- Se ahorran apuntalamientos, cimbras y encofrados en la obra.
Este material poseen inconvenientes o desventajas para su utilización; algunos de los cuales son:
- Se necesitan grandes medios de transporte y montaje, así como sus correspondientes accesos y plataformas de trabajo en la obra.
- Las uniones entre elementos o entre elementos prefabricados y partes “in situ” pueden ser bastantes o muy complejas, en especial en estructuras hiperestáticas.
- Los elementos prefabricados para puentes se fabrican en general, con un hormigón de mayor resistencia que el utilizado en partes de puentes “in situ” con la misma función resistente, por varias razones:
- El desmolde en edades tempranas, para la reutilización del molde y reducir el ciclo temporal de fabricación, requiere suficiente resistencia a esas edades tempranas, en especial en piezas pretensadas, lo que exige hormigones de alta resistencia final.
Este material tiene la posibilidad de moldearse dependiendo la necesidad que se tenga para la creación de diferentes elementos estructurales y no estructurales de un puente, donde uno de los elementos de mayor relevancia son las vigas.
1.5 Puentes de vigas.
Los puentes de vigas en su mayoría están compuestos por vigas y diafragmas o vigas secundarias transversales a las primeras, conformando el entablado del puente, sobre éstas se colocan losas, las cuales pueden ser de hormigón in situ o prefabricado. A estas vigas les llega todo el peso de la superestructura, transfiriéndolo posteriormente a los apoyos y hacia los cimientos.
A partir del desarrollo del hormigón pretensado esbozado anteriormente, se ha visualizado que el mismo ha sido utilizado en los diferentes elementos de los puentes, tanto en losas, estribos pilas y vigas, las cuales son un elemento fundamental en la transferencia de las cargas que recibe el puente.
Los puentes de vigas son utilizados para longitudes, cortas y medias de 30 a 40 m, en algunos casos pueden alcanzar 60m. Los mismos poseen una gran variedad de secciones, como son: Vigas I vigas cajón, vigas T o T invertida, las cuales pueden variar en longitud y peralto, dependiendo de la longitud de la luz que se salve.
Los tableros de las vigas pueden ser de losa con encofrado perdido entre vigas, pre-losas o semi-losas entre vigas o con vuelos exteriores, losas de espesor completo y losas para tableros de vigas metálicas.
Los estribos pueden ser de tierra armada, de elementos verticales en cantiliver, de gravedad y estribos flotantes sobre terraplén y las pilas o fustes independientes con o sin capitel de apoyo, pilas pórticos formados por fustes verticales y cabeceros superior de unión y pilas construidas por dovelas horizontales.
Todos estos elementos antes mencionados han ido evolucionando con el paso del tiempo, los cuales han variado su forma dependiendo del proyecto que se vaya a implementar. Ello se justifica en las vigas utilizadas en los puentes, específicamente las vigas con sección U, las cuales han variado su forma de empleo, cantidad de vigas y sección de las mismas.
1.6 Formas de concebir una sección cajón para puentes.
Se puede relacionar los conceptos de viga U (fig. 1.2 a) y viga cajón (fig. 1.2 b); pero no son la misma estructura. La viga cajón puede ser de hormigón pretensado, postensado o acero, posee una sección completamente cerrada donde se puede asentar la losa del puente. La misma puede ser de sección única conformando una caja cerrada, utilizada mayormente en los puentes para trenes, aunque pueden utilizarse varias vigas en forma de cajas para conformar la calzada.
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Fig 1.2 a Viga U de hormigón. Fuente: ( Gregg A.Reese, Summit Engineering Group, & Company, 2017 )
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Fig. 1.2 b Puente con viga cajón. Fuente:(www.fhwa.dot.gov/bridge/abc/prefab_def.cfm)
Por su parte la viga U es una estructura que puede ser pretensada, postensadas o de acero, la misma tiene forma trapezoidal o rectangular hueca, la sección cierra cuando se le coloca la losa en la parte superior conformando de esta forma una sección cajón.
La diferencia entre la viga cajón y la viga U, es que la primera es construida en un solo paso y la viga U, se construye primero la viga y posteriormente se le coloca la pre losa, aunque la forma de trabajo de estas dos secciones es similar.
En sus inicios estas vigas, en forma de cajón o en U eran ubicadas una a continuación de otra (fig. 1.3), por lo que se creaban una gran cantidad de juntas entre las mismas y presentaban grietas de cortante sobre las juntas, provocando así la penetración de sales lo cual hacía que aparecieran manchas y corrosión del acero, ocasionando ésto mantenimientos e interrupción del tráfico. Con este tipo de secciones cajón, la construcción de puentes necesitaba una gran cantidad de piezas con una longitud considerable. (Sameh S. Badie, 1999)
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Figura 1.3 Puente con vigas cajón adyacentes. Fuente: ( NCHRP, 2009 )
En la actualidad las vigas U postensadas han evolucionado de forma vertiginosa en diferentes países, se pueden citar ejemplos como Japón, Alemania y Estados Unidos (EE.UU), este último ha aumentado el uso de este tipo de vigas para puentes curvos.
Las vigas con este tipo de sección cajón se ha utilizado en disímiles proyectos de los estados norteamericanos; desde que se introduce el pretensado en dicho país en 1950, ejemplo en 1960 con “Seattle Monorail System”. Años después en 1980 Robert L Reed, jefe retirado en la División de Puentes y Estructuras en 1985, concibió el concepto de una figura trapezoidal abierta en el tope. Un diseño evolucionista con el nombre de “U-beam” la cual tuvo gran aceptación por ser más eficiente que las secciones utilizadas anteriormente.
Desde ese entonces en los territorios de EE.UU donde se ha utilizado con más fuerza las vigas con sección trapezoidal U abierta en el tope con diferentes soluciones de losa para el cierre son en Texas, Colorado, Florida, Pensilvania y Nebraska.
Ensayos eficientes para el desarrollo de las vigas de sección trapezoidal en 1973 “Batchelor and Camphell” recomendaron a la “Ontario Precast Concrete Manufacturers Association” la adopción de la nueva viga pretensada de forma trapezoidal para remplazar las vigas I en longitudes relativamente largas. (Sameh S. Badie, 1999)
En 1991 el Departamento de Transporte de Texas (TxDOT), desarrollaron vigas U pretesadas. Este sistema tiene características similares a las de Ontario, excepto que estas vigas no son postensadas y son alzadas sin la necesidad de soportes temporales.(Sameh S. Badie, 1999)
En mayo de 1993, la reunión anual de la Asociación Estadounidense de la Carretera Estatal y funcionarios de transporte (AASHTO) Subcomité de Puentes y Estructuras (SCOBS) por sus siglas en inglés, se llevó a cabo en Denver, Colorado. Los asistentes recorrieron el sitio de la rampa de Park Avenue sobre el proyecto de la I-25 el cual estaba en construcción en ese momento. Los ingenieros vieron una gran viga curvada en U de hormigón prefabricado siendo levantada. El puente fue diseñado por el Departamento de Transporte en Colorado (CDOT) por sus siglas en inglés y se muestra en la fig.1.4. Este fue el primer puente construido en curva con vigas trapezoidales curvadas de hormigón postensado diseñado por el estado.
El director de personal de PCI (Precast/Prestressed Concrete Institute) señaló el potencial de estas vigas de hormigón prefabricadas curvas.
Los moldes en el campo requerían madera para el encofrado lo cual podría ser mejorado si se hormigonaban en plantas prácticas, pero el encofrado curvo, postensado, y transporte de las secciones pesadas serían impedimentos obvios para el Productor de PCI en el momento. Por lo tanto, PCI continúo monitoreando esta oportunidad única que se estaba desarrollando en Colorado.
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Figura 1.4. La rampa de Park Avenue en el centro de Denver, Colorado.
Fuente: Departamento de Transporte de Colorado
De 1995 a 2000, CDOT desarrolló estándares para secciones de viga en U trapezoidales prefabricadas. Las secciones fueron desarrolladas para que puedan ser utilizadas para segmentos curvos horizontales y también pueden ser pretensados, postensados o una combinación de los dos. (Michael L. McMullen, 2008)
Ha pasado más de una década, cuando miembros del Comité de productores de Bridge PCI de Denver informó durante una reunión en 2004 que su empresa estaba produciendo vigas en U curvadas horizontalmente para un proyecto en Denver. Fue el paso elevado de Ramp K (Fig.1.5 que vincula I-25 y SH 270). Tiene un radio de 293 m y una longitud total de 432.8 m.
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Figura 1.5. El paso elevado de Ramp K en I-25-SH 270 en Colorado. Fuente: Cumbre Grupo de ingeniería.
En el 2008 en Colorado es terminada la intersección SH 270/I-25 con el nombre de Ramp K, la cual fue el primer puente terminado con vigas U curvadas horizontalmente, fue diseñada por el Departamento de Transporte de Colorado y fue prefabricado en el sitio. Tenía una longitud máxima de 70 m. El proyecto también usó 200 paneles prefabricados de cubierta de hormigón prefabricado para colocar entre las dos líneas de la viga.
Desde la finalización de la rampa de Park Avenue en 1995 hasta aproximadamente 2000, CDOT ha desarrollado continuamente el concepto. Lo refinaron de maneras que alentaron la producción en una planta de prefabricación.
Mover la producción a una planta se considera importante, porque sabían que estas plantas invertirían en acero de alta calidad de forma ajustable para radio que podrían usarse una y otra vez para muchos proyectos. El tiempo y los costos de configuración serían más bajos; por lo tanto, la solución sería práctica para proyectos de tan solo dos o tres tramos.
Las plantas con encofrado de acero producen acabados superficiales superiores y puede mantener tolerancias más ajustadas, control de calidad y programas de aseguramiento. Además, las plantas colocan y curan a alta resistencia, poseen baja relación agua-cemento de manera rutinaria sin revestimiento, requisitos complejos para los procedimientos de clima frío o caliente necesarios en el campo.
La fabricación en planta optimiza la sección transversal aprovechando el hormigón. La decisión a la producción de plantas fue un paso que reduciría programa, costo y mejora de la calidad.
En Florida se implementa por primera vez este tipo de vigas U en el 2014 para el rediseño de la intersección con la Interestatal 95 (I 95) y la Carretera Estatal 202 (State Road 202), en Jacksonville, ganando un lugar entre las diferentes tipos de vigas a utilizar en puentes con similares características.
Esta evolución de la viga U ha posibilitado la creación de viaductos con una calidad excelente, un costo inferior y disminución en los tiempos de ejecución si se compara con otras tecnologías.
1.7 Superioridad de la viga U postensada curvada horizontalmente.
La utilización de diferentes formas y materiales para la creación de vigas que fueran curvas ha ido cambiando con el transcurso de los años, como se ha explicado anteriormente.
Las vigas de hormigón postensadas surgen como una alternativa a las de viga de acero en la construcción de puentes vehiculares, estas vigas de hormigón postensado han demostrado su rentabilidad, pues la oxidación en los aceros tanto pasivos como activos de este material es menor al no estar en contacto directo con el medio ambiente. Otro aspecto a destacar es el de la durabilidad de estos elementos y la disminución de los mantenimientos a los mismos.
Al realizar una comparación en uno de los primeros proyectos con vigas curvas en Colorado, en 2008 es terminado el proyecto 270 Ramp Y, donde Modjeski and Masters Company en una de sus presentaciones expone la diferencia de costos entre un diseño de acero y el diseño empleando vigas curvas postensadas, donde se observa una clara rentabilidad de postensado por encima del acero al observar que el diseño en este material hubiese costado $6 200 000 mientras que el utilizado tuvo un costo de $ 4 732 240. Estas cuestiones positivas a favor del postensado reafirmaron que el material utilizado para dichas vigas, ocupe en la actualidad un lugar cimero.
Si se analiza el contexto actual donde los flujos vehiculares son cada vez mayores y las intersecciones a nivel están a punto del colapso, los cruces a desnivel son una variante factible para solucionar dicho problema salvando grandes luces. Hasta ahora para salvar tramos intermedios se han empleado estructuras relativamente cortas, a menudo con diversos requisitos, construyéndose con hormigón armado. El notable éxito de proyectos recientes demuestra las ventajas de usar componentes prefabricados de hormigón postensado para construir estas estructuras en aplicaciones de alto perfil, pero con la solución de un problema aparecen otros, este es el caso de dichas intersecciones a desnivel, las cuales para su viabilidad deben desarrollar una curva horizontal con un determinado peralte, para que la circulación se realice con seguridad y confort, es aquí donde las vigas-U postensadas son una variante factible para la creación de estas nuevas intersecciones.
El desarrollo de las vigas curvas viene dado ya que las vigas usadas para realizar estos puentes curvados horizontalmente eran rectas, con este tipo de curvas los puentes tenían que desarrollar un voladizo para poder implementar la curva deseada, esto trae consigo que las fuerzas de cortante no sean asumidas de forma equitativa por todas las vigas, por ende la utilización de las vigas curvadas horizontalmente resuelve este problema de forma eficaz (fig. 1.5).
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Fig. 1.5 Vigas rectas utilizadas en la construcción de un puente curvado horizontalmente. Fuente: ( William N. Nickas, 2010 )
Actualmente para estas soluciones de vigas curvadas horizontalmente existen diferentes secciones, las más comunes son las I y en la actualidad se ha insertado la sección U.
Comparando estas dos soluciones de viga, la I y la U el autor plantea que si se traza una línea curva imaginaria y sobre ella se proyecta una viga I y una viga U con características similares, mismo peralto y ancho de las base iguales se puede observar claramente que hay una mayor posibilidad que la viga U una vez cerrada con la pre-losa pueda resistir los efectos de la torsión de forma más eficaz que la viga I.
Otro aspecto que se puede plantear en relación con la superioridad de la viga U en cuanto a la viga I es la rigidez que adquiere la misma una vez que es cerrada con la losa, por lo que dicha sección es más eficiente que la viga I. (ver capítulo 2)
En el caso de utilizar vigas U el número de éstas es inferior al que se necesitaría utilizando vigas I. Puede indicarse que dos vigas U son equivalente a cinco vigas I. y cuatro vigas U equivalen a siete vigas I, por lo que los gastos de izaje cuando se construyen puentes curvos con vigas U son menores que si se emplearan vigas de sección I fig.1.6
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Fig.1.6 Comparación entre vigas U y vigas I. Fuente: The New Texas U-Beam Bridges - An Aesthetic and Economical Design Solution. PCI Journal
Otro de los aspectos que se pueden comparar es la parte estética, ya que se observa de forma más armónica en su parte inferior un puente con vigas U, que un puente con vigas I. También posibilita al conductor observar de mejor forma la vía y el paisaje al poseer vanos más grandes y una menor cantidad de pilas.
Si bien este tipo de vigas es superior que las vigas I en cuanto a características estructurales, se dificulta a la hora de realizar su encofrado por la forma que posee, lo cual no es un impedimento para poder desarrollar su construcción a nivel mundial.
Las secciones de la viga se pueden utilizar para tramos simples, sus tramos son limitados porque son pesados de transportar. Las longitudes de tramo se pueden aumentar considerablemente empalmando secciones más cortas en el sitio del puente y luego hacer tramos múltiples continuos sobre varios pilares. Las longitudes de tramo pueden aumentarse más proporcionando secciones más peraltadas, como el proyecto que se muestra en la, Figura 1.7
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Figura 1.7. El viaducto I-5 Trinidad (Colorado) presenta vigas escalonadas que brindan espacio libre de 80 m sobre un patio de ferrocarril. Foto: PCI
Otro de los aspectos que favorece la utilización de vigas U es el tiempo de construcción y ahorro de costos.
Donde la cimbra no es práctica para vigas cajón de hormigón in situ, la solución prefabricada ha demostrado ser no solo el menos costoso sino que resulta una construcción más rápida, el apuntalamiento se simplifica ylos costos son menores.
1.8 Construcción de las vigas U.
La construcción de Vigas en U horizontalmente curvadas son secciones moldeadas en encofrado de acero que puede ser configurada para acomodar varios radios tan cortos como 150 m. Las secciones contienen conductos de postensado en la parte inferior y pueden ser parcialmente postesadas si es necesario para controlar las tensiones.
Para la conformación de la sección cajón con vigas U postesadas y la conformación de la sección transversal del puente es necesario la colocación en su tope de una pre-losa, la cual puede concebirse de diferentes procederes. A continuación se expresa alguna de las variantes existentes.
1.9 Losa de cierre.
La parte superior de las vigas en U se cierran con " tapa de losas " en el campo. La construcción de estas pre-losas para estos tipos de puentes puede ser con hormigón pretensado o con hormigón amado. En la actualidad es más común observar la colocación de estas pre-losas posterior a la implementación de las vigas, en algunos casos son colocadas in situ las losas que se encuentran entre las vigas, utilizando encofrado perdido o moldeadas en planta. Las colocadas encima de las vigas, posibilitan un todo integrado, formando una sección cajón.
Estas losas, las cuales dan el cierre a la sección cajón, presentan una construcción diversa, pues pueden o no conformar voladizos en la superestructura del puente. La construcción de los mismos está dada a partir de dos soluciones, la primera utilizando aditamentos que se colocan en las paredes exteriores de las vigas para realizar el encofrado in situ (fig. 1.6 a, b) o utilizando losas prefabricadas de dos capas completadas con una carpeta de hormigón in situ para dar un cierre completo a la sección trasversal del puente (fig. 1.6 d, e). De igual forma pueden utilizarse losas de hormigón prefabricado de peralto total o vaciado completo fig. (1.6 c), aunque estas son mucho más pesadas que las mencionadas anteriormente.
De acuerdo a la Asociación de Vías Federales, por sus siglas en inglés (FHWA), los sistemas y elementos de puentes de hormigón prefabricado brindan muchas ventajas, tales como una zona de trabajo segura, una mejor calidad de la construcción, un menor impacto ambiental con menor interrupción del tráfico (FHWA 2004). El uso de elementos de puentes prefabricado reduce la cantidad de equipo requerido en el lugar del proyecto, elimina la necesidad de ubicar pilares temporales en el caudal de cruce, y reduce la cantidad de emisiones producidas por el tráfico detenido, el cual a su vez disminuye el impacto medioambiental. (PATIL, 2005)
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- Arbeit zitieren
- Raydel Domínguez Montenegro (Autor:in), 2018, Conceptualización Geométrica de la Superestructura de un Puente Curvo con Sección Cajón Prefabricado, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/432944
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