Elementos Estructurales by Fernando Marroquin

CIUDAD DE LAS ARTES Y CIENCIAS, SANTIAGO CALATRAVA, VALENCIA, ESPAÑA.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES ESTRUCTURACION 1 RODOLFO FRANCO / NATALIA ORTIZ / FERNANDO MARROQUIN / YOLANDA VAQUERANO

ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE FUNDACIÓN 1. PILOTES 2. ZAPATAS 3. SOLERAS DE FUNDACIÓN 4. TENSORES

FUNDACIONES Son las partes de la construcci贸n encargadas de transmitir al terreno resistente la carga de la estructura, 贸sea que transmite las cargas vivas y muertas al suelo o terreno de apoyo.

Seg煤n la posici贸n o profundidad del terreno resistente sobre el que se desplanten las cimentaciones se puede distinguir entre cimentaciones superficiales y cimentaciones. En las fundaciones se utilizan varios elementos:

1-Pilotes 2-Zapatas 3-Soleras de fundaci贸n 4-Tensores

1.PILOTES

DEFINICIÓN Los pilotes son cimentaciones profundas. Suelen tener sección circular y pueden ser prefabricados o ejecutados in situ. Su función es la de transmitir directamente al suelo, los esfuerzos que recibe de la estructura superior, trabajan a flexo-compresión, como si fuese una columna apoyada sobre un plano resistente, y por frotamiento lateral contra el suelo.

CASOS EN LOS QUE SE USA PILOTES • Cuando las cargas transmitidas por el edificio no se pueden distribuir adecuadamente en una cimentación superficial, excediendo la capacidad portante del suelo. • Puede darse que los estratos inmediatos a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el suelo resistente esté a cierta profundidad; es el caso de edificios que apoyan en terrenos de baja calidad. • Cuando el terreno está sometido a grandes variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones producidos con arcillas expansivas. • Cuando la edificación está situada sobre agua o con la capa freática muy cerca del nivel de suelo. • Cuando los cimientos están sometidos a traccion.

EJEMPLOS:

– En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. – En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo. – Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; como en los muros de contención de muelles. – Cuando se deben recalzar cimientos existentes.

PILOTES PREFABRICADOS Se construyen con elementos prefabricados, generalmente de acero, que se hincan en el terreno mediante una mรกquina llamada pilotera. Esta tiene un martinete que los golpea hasta que se llega a la profundidad especificada en el proyecto. Eventualmente, la hinca se realiza mediante un dispositivo vibratorio.

PILOTES HORMIGONADOS IN SITU Los Pilotes Hormigonados In Situ son un tipo de pilotes ejecutados en obra, tal como su nombre lo indica, en el sitio, en el lugar. La denominación se aplica cuando el método constructivo consiste en realizar la perforación que ocupará el pilote, la cual se mantiene rellena con una mezcla de agua y bentonita como forma de evitar el desmoronamiento de las paredes. La bentonita es una arcilla muy pegajosa con un alto grado de encogimiento (los enlaces entre las capas unitarias permiten la entrada de una cantidad superior de agua que en la caolinita) y tiene tendencia a fracturarse durante la cocción y el enfriado.

PILOTES DESPLAZAMIENTO

Son los pilotes que se construyen sin extraer las tierras del terreno y tienen dos sistemas de ejecución diferentes. Los sistemas de ejecución de los pilotes de desplazamiento son: • 3a. Pilotes de desplazamiento con azuche. • 3b. Pilotes de desplazamiento con tapón de gravas

PILOTES EXTRACIÓN DE TIERRAS

Este sistema de Pilotaje por Extracción de Tierras requiere que las tierras de la excavación sean extraídas antes de la ejecución del hormigonado de pilotes.

2. ZAPATAS

DEFINICIÓN Las zapatas son elementos de cimentación que se apoyan directamente sobre el terreno, generalmente a una profundidad reducida y de forma variable pero preferentemente cuadrada, rectangular o circular. En la mayor parte de los casos, por no decir prácticamente en todos, se realizan en hormigón armado y su función es la de transmitir las cargas del edificio al suelo. Estos elementos trabajan a compresión.

TIPOS DE ZAPATAS • Por su morfología: • Macizas. • Que a su ves pueden ser: • -Rectas • -Escalonadas. • -Piramidales. • Aligeradas.

ZAPATA AISLADA • Por su forma: • -Cuadradas. • -Rectangulares. • -Circulares. • -Poligonales. • Por su forma de trabajar: • Aisladas: • Corridas:

ZAPATA CORRIDA • Zapatas combinadas

Agotamiento por Flexi贸n Mec谩nica

3. SOLERAS DE FUNDACIÓN

Es un tipo de fundaci贸n de concreto armado que se desarrolla linealmente a determinada profundidad y con una anchura que depende del tipo de suelo. Se utiliza primordialmente para transmitir cargas proporcionadas por estructuras de pared o muros portantes.

ANALISIS ESTRUCTURAL

DETALLE DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE FUNDACION EN MARCO. EL TENSOR (LILA), PEDESTALES (AMARILLOS), SOLERAS (ROJO) Y ZAPATAS (CAFÉ).

4. TENSORES

DEFINICIÓN Son elementos generalmente horizontales que proporcionan arrostramiento ha elementos verticales tales como las columnas y pedestales. Se han incluido en las fundaciones ya que las columnas además de ir arriostradas en la parte superior de igual forma deben de ir arriostradas en su base

COMPRESIÓN Y TENSIÓN

ANALISIS ESTRUCTURAL

ZAPATA

4. COLUMNAS

Una columna es un elemento estructural vertical y de forma alargada que sirve para sostener el peso de la estructura.

Es un elemento fundamental en el esquema de una estructura, su capacidad de carga esta determinada por lo siguiente:

• • • •

Selección de su tamaño. Forma Espaciamiento Composición.

• • • •

La columna es un elemento sometido principalmente compresión. Diseño está basado en la fuerza interna. Debido a las condiciones de las columnas, también se diseñan a flexión. Combinadas se llaman flexo-compresión.

COLUMNA SOMETIDA A CARGA AXIAL Y COMPRESIÓN

COMPORTAMIENTO Dentro de los requisitos fundamentales de una estructura o elemento estructural están los siguientes:

• • • •

Equilibrio Resistencia Funcionalidad Estabilidad.

En una columna se puede llegar a una condición inestable antes de alcanzar la deformación máxima permitida o el esfuerzo máximo.

DISMINUCIÓN DEL ESFUERZO DE TRABAJO A COMPRESIÓN SEGÚN LA ESBELTEZ DE LA COLUMNA.

CARGA CRITICA

• La deformación de la columna

varía según ciertas magnitudes de cargas, para valores de P bajos se acortala columna. • Al aumentar la magnitud cesa el acortamiento y aparece la deflexión lateral. • Existe una carga límite que separa estos dos tipos de configuraciones y se conoce como carga crítica Pcr.

Supongamos un elemento recto vertical sometido una carga H, esta carga produce una deflexi贸n (v茅ase figura 3a). Si se aplica una fuerza vertical P que va aumentado y se disminuye el valor de H, de tal forma que la deflexi贸n sea la misma al caso de la Figura 3a (v茅ase Figura 3b), el valor de Pcr es la carga necesaria para mantener la columna deformada sin empuje lateral H.

EXCENTRICIDAD Cuando la carga no se aplica directamente en el centroide de la columna, se dice que la carga es excĂŠntrica y genera un momento adicional que disminuye la resistencia del elemento, de igual forma, al aparecer un momento en los extremos de la columna debido a varios factores, hace que la carga no actĂşe en el centroide de la columna.

PREDIMENSIONADO COLUMNA DE ACERO El diseño de las columnas de acero se basa en la desigualdad de la ecuación del diseño por estados límites y se presenta en la forma indicada en la ecuación. La esencia de la ecuación es que la suma de los efectos de las cargas divididas entre la resistencia minorada = o < a 1.

PREDIMENSIONADO COLUMNA DE MADERA La ecuaci贸n de an谩lisis se realiza seg煤n los esfuerzos y se expresa de forma simple tal como lo indica la siguiente ecuaci贸n (#3):

PREDIMENSIONADO COLUMNA DE CONCRETO ARMADO Método sugerido por Arnal y Epelboim: Basado en la carga axial y el momento flector conocido, valores que son los necesarios para diseñar una columna. El área de concreto puede estimarse por la fórmula:

FALLAS ESTRUCTURALES

5.VIGAS

Es un elemento estructural de forma alargada y generalmente horizontal o inclinada que sirve para formar y cargar losas en los edificios y sostener cargas.

Su trabajo estructural es a flexión. En tal sentido el predimensionado de las vigas consiste en determinar las dimensiones necesarias para que el elemento sea capaz de resistir la flexión y el corte, así como también debe tener dimensiones tales que la flecha no sea excesiva. CLASIFICACIÓN DE VIGAS: Según la forma de su sección: Rectangular, en T y en doble T

Según su posición respecto al forjado. - Viga de cuelgue. - Viga plana. - Viga de salto. Según el tipo de apoyos que tienen en sus extremos: - Apoyada. - Empotrada. - Continua. - En voladizo.

FUERZA DE DISEÑO • Los efectos que producen las cargas sobre una viga son de dos tipos:

•

Fuerza Cortante (V) y MomentoFlector (M). La magnitud de estas fuerzas son variables a lo largo de la longitud de la viga, siendo así el objetivo principal de determinar la magnitud de la fuerza cortante y el momento flector máximo aplicado en la viga (Vmax ; Mmax).

FALLAS ESTRUCTURALES Las cargas que actúan en una estructura, ya sean cargas vivas, de gravedad o de otros tipos, tales como cargas horizontales de viento o las debidas a contracción y temperatura, generan flexión y deformación de los elementos estructurales que la constituyen. La flexión del elemento viga es el resultado de la deformación causada por los esfuerzos de flexión debida a la carga externa.

6. LOSAS

Losas de Entrepiso

Las losas, placas de entrepiso o planchas son los elementos rĂgidos que separan un piso de otro, construidos monolĂticamente o en forma de vigas sucesivas apoyadas sobre los muros estructurales. Las losas cumplen funciones arquitectĂłnicas y estructurales.

LOSAS SEGÚN LA DIRECCIÓN DE SU CARGA.

TIPOS DE LOSAS UNIDIRECCIONALES

SegĂşn el material del que estĂĄn construidas o armadas: - Concreto reforzado. - Concreto pretensado. - Apoyadas en madera. - LĂĄmina de acero. - Otros materiales.

SEGÚN EL VACIADO EN SITIO: ALIGERADAS O MACIZA.

LOSA ALIGERADA

LOSA MACIZAS

DIMENSIONADO DE LOSAS DE ENTREPISO 1. Definir un esquema estatico. - Si las losas son uni o bidireccional. - Si son“losas aisladas” o “losas continuas”. - Se deben además establecer los tipos de apoyos: - Simplemente apoyados ( ________ ) - Empotrados ( ________ ) - Libres ( ----------- ) Al respecto cabe aclarar que salvo los apoyos internos de paños de losas continuas se consideran como empotramientos, los restantes (incluyendo a los voladizos) conviene “considerarlos y armarlos” como apoyos simplemente apoyados. ESQUEMA ESTÁTICO

2. PREDIMENSIONADO DE LOSAS ENTREPISO Consiste en darle una altura (d) estimada a la losa que luego debe ser verificada durante el dimensionado. Se hace en los parametros:

h min = lo/35

ESFUERZOS A FLEXION Y DEFORMACIĂ&#x201C;N

3. DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS

q = g + p ( tn/m²) En donde: - q = carga total que actúa sobre la losa. - g = carga que actúa sobre la losa en forma permanente. - p = sobrecarga o carga accidental. La carga permanente “g” está constituida por el peso propio de la losa y de todos los elementos que están adheridos a ella (cielorraso, contrapiso, piso, etc.), y se la debe calcular de acuerdo al proyecto. La carga accidental o sobrecarga es la parte de la carga que puede o no estar sobre la losa y su valor depende del destino o uso de la losa dentro de la construcción.

4. DETERMINACIÓN DE LAS SOLICITACIONES (MOMENTOS) LOSAS UNIDIRECCIONALES Estas losas trasmiten los esfuerzos en la dirección de la menor luz, de modo que su comportamiento es similar al de las vigas. De este modo los momentos deben calcularse como si se tratase de una viga de un ancho unitario de 1m. En la determinación de los momentos será esencial tener en cuenta el tipo de apoyo de la losa y su continuidad o no con otras. AISLADAS

CONTINUAS

LOSAS BIDIRECCIONALES AISLADAS

CONTINUAS

4. DIMENSIONADO DE LOSAS

Predimensionada la altura y obtenidos los esfuerzos caracterĂsticos, se debe proceder a verificar dicha altura y a dimensionar la armadura resistente. Para eso se hace uso de la tabla de kh, esta tabla de coeficientes de concreto armado.

5. CONSIDERACIONES Y RECOMENDACIONES

ALIGERADA

MACIZA

LOSAS DE CIMENTACIÓN Una losa de cimentación es una placa de hormigón apoyada sobre el terreno que sirve de cimentación que reparte el peso y las cargas del edificio sobre toda la superfice de apoyo. Las losas son un tipo de cimentación superficial que tiene muy buen comportamiento en terrenos poco homogéneos que con otro tipo de cimentación podrían sufrir asentamientos diferenciales. - Las mas sencillas son las losas de espesor constante o macizas. - Existen tambien losas de cimentación aligeradas. - Calculo es similar al de las losas de entrepiso invirtiendo esfuerzos. - Se aplican todas las cargas axiales.

CLASIFICACIÓN DE LOSAS DE CIMENTACIÓN

MACIZAS

ALIGERADAS

NERVADURA S

CALCULO DE LOSAS DE CIMENTACIÓN Para poder comenzar el diseño y análisis de una losa de cimentación es necesario conocer: •Dimensiones de la losa: largo (L) y ancho (B). •Distancia entre columnas o muros en ambos ejes X y Y. •El valor de las cargas o pesos (P1, P2...Po) a soportar reportan (CM) y (CV). •Se determina la resultante de las cargas en la losa de cimentacion. Ya se conocen las dimensiones de la losa solo nos falta conocer el peralte (d), para eso:

7. PAREDES CARGA

Las paredes de carga son un tipo de particiones interiores en edificios y tienen la función estructural de soportar y sustentar el edificio, trabajando a los esfuerzos de compresión, absorbiendo la carga de los forjados y transmitiendo los esfuerzos a las cimentaciones. Para realizar su labor estructural, las paredes que soportan cargas, deben tener espesores mínimos, dependiendo de la altura de la pared y del material del que están construídas.

MATERIALES DE PAREDES ESTRUCTURALES

NATURALES - Piedras en sillares. - Piedra braza. - Piedra baja. - Piedra bola.

ARTIFICIALES - Tepetate (Piedra) - Barro Cocido - Block de Cemento

OTROS - Adobe

ESPECIFICACIONES TÉNICAS - AGREGADOS Y CARACTERISTICAS

- ESPESOR, ALTURA Y SOPORTES LATERALES

- ANCLAJES Y REFUERZOS

- REACCION ESTRUCTURAL

- APERTURA DE HUECOS

Al practicar un hueco en un muro, se están desviando las cargas hacia los extremos, provocando una sobrepresión en esos puntos críticos y poniendo en riesgo de colapso al edificio. Esta situación produciría el hundimiento de esa zona y el de las plantas superiores a la intervenida. Al abrir un hueco en una pared de carga se está debilitando la estructura de esa pared; por ello es evidente que debe apuntalarse, pero aquí debemos primero saber cuáles son los elementos que se han de apuntalar, puede ser quizás el forjado superior, el muro o ambos.

8. ARMADURAS

DEFINICIร N Las armaduras consisten exclusivamente en elementos rectos que estรกn conectados en nodos localizados en los extremos de cada elemento. Por tanto, los elementos de una armadura se encuentran trabajando en compresiรณn o en tensiรณn pura, es decir, sin flexiรณn o cortante.

CARACTERÍSTICAS El triángulo es la unidad geométrica básica de la armadura; es una forma única, ya que no se puede cambiar sin que cambie la longitud de sus lados aún cuando las juntas estén articuladas en ellas.

ELEMENTOS a) Cuerda Superior b) Cuerda Inferior c) Juntas o Nodos

TIPOS DE ARMADURAS a) Howe

b) Pratt

c) Warren

ESTABILIDAD

9. MARCOS ESPACIALES

DEFINICIร N Un marco espacial es un sistema de armadura tridimensional que salva claros en dos direcciones, cuyos miembros sรณlo estรกn en tensiรณn o compresiรณn.

CARACTERÍSTICAS Muchas veces en las edificaciones se opta por la utilización de formas como la mitad de un octaedro o un tetraedro.

DIFERENCIA ENTRE ARMADURAS Y MARCOS ESPACIALES

CONEXIONES

APOYOS ESTRUCTURALES

10. ARCOS

DEFINICIĂ&#x201C;N Es el elemento constructivo lineal de forma curvada, que salva el espacio entre dos pilares o muros.

ELEMENTOS Y NOMECLATURA • • • • • • • • •

Dovelas: Son piezas en forma de cuña que componen el arco y se caracterizan por su disposición radial. Clave: Es la dovela del centro que cierra el arco. Salmeres: Son las dovelas de los extremos y que reciben el peso de la estructura. Intradós: Parte interior de una dovela. Trasdós o Extradós: Lo que no se ve por estar dentro de la construcción. La imposta: Es una moldura sobre la cual se asienta un arco o una bóveda. Flecha: Altura del arco que se mide desde la línea en que arranca hasta la clave. Luz o Vano: Anchura de un arco. Contrafuerte: Muro que rodea el arco.

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL La lĂnea de empuje en un arco es el conjunto de los esfuerzos resultantes y el empuje y peso que cada parte impone en la parte inmediata inferior.

ESTABILIDAD DE LAS CARGAS

ESTABILIDAD EN ARCOS DE MAMPOSTERÍA

11. BÓVEDAS DEFINICIÓN Una bóveda es una estructura arqueada tridimensional que trasmite a los soportes sólo esfuerzos de compresión. En términos muy simples, una bóveda es un arco extruido (o rotado) en una tercera dimensión. Y al igual que un arco, la bóveda (tradicionalmente una estructura de mampostería) resiste sólo compresión y es incapaz de resistir tensión.

TIPOS DE BOVEDAS Dependiendo de su forma, las bóvedas son de dos tipos básicamente: curvada sencilla o cilíndrica, y doblemente curvada o cúpula.

BÓVEDAS CILÍNDRICAS

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

DISTRIBUCIÓN DE CARGA

RESISTENCIA LATERAL

CÚPULAS Una cúpula es un arco de revolución diseñado (igual que un arco de mampostería) para resistir sólo las fuerzas de compresión.

ELEMENTOS ESTRURALES Un elemento importante en las cúpulas, son las pechinas, que transmiten el peso de la cúpula a pilares, pilastras o muros, mediante arcos o cúpulas semiesféricas que los vinculan lateralmente.