ARQUI-ESTRUCTURAS DISEÑO ESTRUCTURAL
EDICIÓN MES DE MARZO
FUNDACIONES
COLUMNAS
VIGAS
DISEÑO ESTRUCTURAL
EDITORIAL La estructura es la parte de la edificación encargada de garantizar la estabilidad de la construcción, debiéndose adaptar a la geometría global de la misma. La importancia e implantación del cálculo de estructuras en el campo de la construcción civil o industrial es un hecho. La responsabilidad de las mismas y la necesidad de visar proyecto de ejecución garantizan esta implantación.
EDITORIAL: AMANECER ARQUITECTONICO EDICIÓN Y MONTAJE: MARIA ANTONIETTA BAEZ EDITORES: CHRISTY ANDREW DEIVIS TOVAR OMAR TINEO VALERIA PEROZO MARIA ANTONIETTA BAEZ PROYECTO DE ESTRUCTURAS (3ª) MARZO 2017
DISEÑO ESTRUCTURAL
4
FUNDACIONES
8
CIMIENTOS
11
COLUMNAS
14
VIGAS
16
ÍNDICE
CONTENIDO
DISEO ESTRUCTURAL La estructura es y ha sido siempre un componente esencial de la Arquitectura y la Ingeniería Civil, y son precisamente el Ingeniero y el Arquitecto quienes, durante el proceso de diseño, deben crear o inventar la estructura y darle proporciones correctas.
El diseño es un proceso creativo mediante el cual se definen las características de un sistema de manera tal que cumpla, en forma óptima, con sus objetivos.
El objetivo de un sistema estructural es equilibrar las fuerzas a las que va a estar sometido, y resistir las solicitaciones sin colapso o mal comportamiento (excesivas deformaciones). La bondad del diseño depende esencialmente del acierto que se haya tenido en componer un sistema estructural, o mecanismo resistente, que resulte el más idóneo para resistir las acciones exteriores.
ESFUERZO-DEFORMACIÓN Podemos conseguir tener elementos resistentes y dúctiles, lo cual nos trae como consecuencia una estabilidad interna; pero no necesariamente externa. Esta estabilidad externa, está más relacionada con el diseño del sistema estructural, que con el dimensionamiento de las secciones y la selección del material. Por lo cual podemos ver que el diseño estructural implica el diseño integral de los sistemas con los elementos y los materiales estructurales como un todo. Por lo tanto la ductilidad de una estructura (material, elemento, sistema) es de suma importancia, es decir, la capacidad de la estructura para soportar grandes deformaciones antes del colapso.
4
Maria Antonietta Baez Ci:27.125.372
DISEO ESTRUCTURAL Acciones-Estructura-Respuesta Cualquier estructura está sometida a determinadas acciones exteriores (sismo, viento, empujes, hundimientos, temperatura, etc.) así como acciones interiores (peso propio, peso de instalaciones y personas, impactos, incendios, etc.) que la estructura tiene que soportar dentro de los límites de seguridad y trabajo permisibles; una buena estructura no es necesariamente aquella que soporta las acciones satisfactoriamente, sino aquella que sabe manejarlos de manera inteligente y creativa. Para soportar estas acciones la estructura sufre internamente esfuerzos que llamaremos primarios (tensión, compresión, flexión, cortante y torsión) así como derivados (flexocompresión, flexotensión, etc.). Todos estos esfuerzos internos provocados por acciones externas e internas a la estructura inevitablemente se manifiestan en respuestas visibles (flechas, agrietamientos, daños o incluso el colapso). Pero el buen diseñador estructural está consciente de esto y diseña la estructura de tal manera que estos daños o afectaciones sean mínimas y no interfieran con la vida útil de la estructura.
El buen diseñador debe prever los posibles cambios en el uso de los edificios y los cambios de cargas fijas que esto acarrearía. Por esta razón el diseñador estructural debe ser un asiduo lector de la historia de la arquitectura y la edificación, no para traer soluciones estructurales del pasado, sino para ver cuáles son los caminos cerrados, los errores que no debemos volver a cometer, y cuáles las grandes vetas que se pueden explotar.
Maria Antonietta Baez Ci:27.125.372
5
DISEO ESTRUCTURAL Conseguir una adecuada estructura de un edificio es sencillo si partimos de los elementos esenciales de las estructuras, a saber: - Elementos lineales Columnas y Vigas. Son capaces de resistir fuerzas axiales y torsionantes (también se incluyen aquí los cables).
-Elementos Planos Muros. Puede ser sólido, con perforaciones, formado por elementos triangulares (espaciales). Son capaces de soportar cargas axiales y torsionantes. En general son capaces de resistir cargas paralelas a su plano.
-Elementos espaciales Elementos resistentes de fachada o núcleos, en general procuran que el edificio funcione como una unidad.
La combinación de estos elementos generan la estructura básica del edificio. Se pueden visualizar un gran número de posibles soluciones.
Losas. Pueden ser sólidas o aligeradas, planas o perimetralmente apoyadas; en general son capaces de soportar cargas perpendiculares a su plano.
6
Maria Antonietta Baez Ci:27.125.372
DISEO ESTRUCTURAL Principios del Diseño estructural Una estructura se diseña para que no falle durante su vida útil. Se reconoce que una estructura falla cuando deja de cumplir su función de manera adecuada. Las formas de falla pueden ser: falla de servicio o falla por rotura o inestabilidad. La falla de servicio es cuando la estructura sale de uso por deformaciones excesivas ya sean elásticas o permanentes. La falla por rotura (resistencia) o inestabilidad se da cuando hay movimiento o separación entre las partes de la estructura, ya sea por mal ensamblaje, malos apoyos o rompimiento del material. Seguridad La seguridad se determina controlando las deformaciones excesivas que obligan a que salga de servicio o el rompimiento o separación de alguna de sus partes o de todo el conjunto. Una de las condiciones de seguridad, la estabilidad, se puede comprobar por medio de las leyes de equilibrio de Newton. Funcionalidad La estructura debe mantenerse en funcionamiento durante su vida útil para las cargas de solicitación. Un puente que presenta deformaciones excesivas daría la sensación de inseguridad y la gente dejaría de usarlo, en ese momento deja de ser funcional. Economía El aprovechamiento de los recursos determina un reto para el diseño estructural. En la economía se conjuga la creatividad del ingeniero con su conocimiento.
Se dice que también deben de cumplir con propiedades como aislamiento térmico, aislamiento acústico, impermeabilidad, división de aposento, entre otras. Se puede producir un fallo en la estructura cuando la parte rígida y la parte plástica del elemento están en exceso, sin embargo si se mantiene un buen nivel de estos dos es probable que tenga un rendimiento avanzado. En cada país existen normas legales que regulan la formación de diseños estructurales, protegiendo a los individuos en caso de accidentes como rupturas de la edificación y posibles derrumbamientos. Maria Antonietta Baez Ci:27.125.372
7
FUNDACIONES La fundación es aquella parte de la estructura que tiene como función transmitir en forma adecuada las cargas de la estructura al suelo y brindar a la misma un sistema de apoyo estable. La fundación estará’ bien diseñada si cumple adecuadamente con su doble función, estabilidad y resistencia, controlando dos estados límites a saber, las condiciones de servicio y las condiciones de falla por resistencia.
Estado limite de servicio o de funcionamiento: Aunque la estructura, incluyendo la fundación, no presente un daño físico de ella misma se considera que falla cuando ella no tiene un comportamiento adecuado que hace que esta salga de funcionamiento. Se puede llegar al estado límite de servicio cuando se presentan los siguientes problemas en el suelo o la cimentación: A. Desplazamientos o levantamientos excesivos causados por suelos expansivos B. Daños locales o generales causados por fenómenos de erosión interna, lixiviación o dispersión. C. Vibraciones excesivas causadas por estructuras o cargas móviles (motores o maquinas) que afecten el confort de los ocupantes. D. Daños locales en partes de la estructura por falta de juntas de expansión y de contracción.
8
Deivys Tovar Ci:24.765.824
FUNDACIONES E. Asentamientos diferenciales y totales. Un asentamiento diferencial entre dos fundaciones continuas de una misma edificación puede producir ladeo de la estructura y podría llevarla a un posible volcamiento.
Los asentamientos diferenciales se limitan a los siguientes valores dependiendo del sistema estructural de la edificación: En pórticos L/300 En muros L/500 a L/1000
El estado límite en este caso corresponde a sacar la estructura de funcionamiento por el hecho de presentarse una rotación que produce sensación de inseguridad en los ocupantes sin tener que haber llegado a la perdida total del equilibrio.
Donde L corresponde a la distancia horizontal entre apoyos.
En el caso de un edificio cualquier movimiento diferencial de un apoyo con respecto a otro, puede cambiar los momentos y fuerzas internas de diseño de la estructura, con la posibilidad de presentar fallas locales en vigas de conexión o en cualquier otro elemento.
Recordemos por las ecuaciones de pendiente deflexión que cualquier asentamiento de un extremo de un elemento viga con respecto al otro extremo, causa una variación de los momentos de extremo igual a:
Note que para muros se es mucho más exigente ya que los muros son mas rígidos (admiten menos deformaciones) que los pórticos.
Estados límites de resistencia: Esta asociado a la falla física (rompimiento o fractura) de los componentes de la fundación o de cualquier parte de la estructura por un mal comportamiento del sistema suelo-cimentación. Se puede llegar al estado límite de falla por resistencia cuando se presenta alguno de los siguientes problemas: A.
Falla del suelo por exceder su capacidad portante
B. Disminución del equilibrio por inestabilidad del terreno. C. Amplificación y o modificación de las ondas sísmicas que viajan por el suelo produciendo falla de la estructura al entrar en resonancia con ella. D. Falla de la estructura por el cambio de las propiedades del suelo al presentarse el fenómeno de licuefacción durante un sismo. E.
Falla de la estructura de la cimentación como tal.
F. Falla de la estructura por falta de amarres que den integridad estructural.
Deivys Tovar Ci:24.765.824
9
FUNDACIONES TIPOS DE FUNDACIONES De acuerdo con la profundidad de desplante (profundidad de contacto entre estructura y suelo) se dividen en superficiales y profundas. • Fundaciones superficiales: Zapatas aisladas, zapatas excéntricas, zapatas combinadas (caso de pocas columnas o caso de todas las columnas de una edificación en el cual se convierte en una losa de fundación), zapatas amarradas y vigas de fundación en el caso de muros. • Fundaciones profundas: Pilas o caisson y pilotes (hincados o vaciados en el sitio). Otras son: • Losas de fundación: cimentación compensada o losa flotante • Fundaciones masivas: se utilizan para maquinaria que produce vibraciones. Se busca que el peso de la fundación sea 1,5 veces el peso de la maquinaria. También se usan en torres de energía.
Condiciones de apoyo a la superestructura: Las condiciones de apoyo, ya sea empotramientos o articulaciones, se logran por medio de un adecuado sistema de fundación y del suelo en si. Estructuras modeladas con apoyos de empotramientos exigen que la fundación sea capaz de absorber cualquier tipo de rotación. Como es sabido, el suelo es un material que no aguanta esfuerzos de tracción, por lo tanto, en el caso de fundaciones superficiales sobre suelos poco compresibles, los momentos se pueden absorber con una transmisión no uniforme de los esfuerzos de contacto con el suelo;
10
Deivys Tovar Ci:24.765.824
CIMENTACIONES
¿Qué es Cimentación? La cimentación son las bases que sirven de sustentación al edificio; se calculan y proyectan teniendo en consideración varios factores tales como la composición y resistencia del terreno, las cargas propias del edificio y otras cargas que inciden, tales como el efecto del viento o el peso de la nieve sobre las superficies expuestas a los mismos.
La construcción de los cimientos debe contemplar los siguientes principios generales: • Tener conocimiento a fondo del terreno. • Efectuar el cálculo de cimientos por exceso, aplicando los coeficientes de seguridad necesarios. • Ubicar la base de cimentación protegida de las heladas. • Poner atención en las capas freáticas. • Tomar todos los recaudos ante terrenos sin consolidar. Los cimientos tienen la función de transmitir en forma repartida las cargas del edificio al terreno donde se asienta.
Características del Terreno • Profundidad del estrato resistente. • Nivel freático y sus variaciones. • Capacidad de asentamiento del estrato de apoyo. • Cota de socavaciones debidas a corrientes subterráneas. • Humedad y heladicidad en capas superficiales. Christy Andrew
11
CIMENTACIONES 1.- Cimentaciones Superficiales Reparten la fuerza que le transmite la estructura a través de sus elementos de apoyo sobre una superficie de terreno bastante grande que admite esas cargas. Se considera cimentación superficial cuando tienen entre 0,50 m. y 4 m. de profundidad, y cuando las tensiones admisibles de las diferentes capas del terreno que se hallan hasta esa cota permiten apoyar el edificio en forma directa sin provocar asientos excesivos de la estructura que puedan afectar la funcionalidad de la estructura se clasifican en: • • • • • •
Cimentaciones ciclópeas. Zapatas. Zapatas aisladas. Zapatas corridas. Zapatas combinadas. Losas de cimentación.
2.- Cimentaciones Semiprofundas •
• • •
Pozos de cimentación o caissons: Son en realidad soluciones intermedias entre las superficiales y las profundas, por lo que en ocasiones se catalogan como semiprofundas. Algunas veces estos deben hacerse bajo agua, cuando no puede desviarse el río, en ese caso se trabaja en cámaras presurizadas. Arcos de ladrillo sobre machones de hormigón o mampostería. Muros de contención bajo rasante: no es necesario anclar el muro al terreno. Micropilotes. son una variante basada en la misma idea del pilotaje, que frecuentemente constituyen una cimentación semiprofunda.
12
Christy Andrew
CIMENTACIONES 3.- Cimentaciones Profundas Son un tipo que solucionan la trasmisión de cargas a los sustratos aptos y resistentes del suelo. Entre estas cimentaciones se destacan: • Muros Pantalla son muros verticales profundos de hormigón. • Pilotes son elementos similares a los pilares, hincados a profundidad en el suelo.
Materiales Mampostería Los cimientos construidos con mampostería, por lo general, se encuentran en edificaciones antiguas. Se ejecutan con piedras colocadas en seco o con hormigón. Ladrillo de Fábrica Cerámica Como en el caso de cimentación con mampostería, la utilización de ladrillo cerámico se observa en edificaciones antiguas. Actualmente se ha dejado de lado su utilización por el coste elevado de la mano de obra y porque el hormigón armado es una solución mas práctica y responde en forma óptima a las necesidades del sistema constructivo. Hormigón Ciclópeo Este es un sistema que ha quedado prácticamente en desuso, se usaba en construcciones con cargas poco importantes; exceptuando las construcciones auxiliares como vallas de cerramiento en terrenos suficientemente resistentes. Hormigón en Masa Los cimientos de hormigón en masa actualmente se realizan únicamente en construcciones con poca carga y en terrenos bastante resistentes y muy homogéneos. Hormigón Armado Este sistema es el más utilizado en la actualidad en los cimientos de las construcciones en general. El hormigón armado, además de los esfuerzos de compresión, puede absorber esfuerzos de tracción evitando probables asientos. Christy Andrew
13
COLUMNAS
• Es un elemento arquitectónico vertical y de forma alargada que normalmente tiene funciones estructurales, aunque también pueden erigirse con fines decorativos.
CLASIFICACIÓN
En relación con otros componentes del edificio
Todas las grandes civilizaciones de la Edad del Hierro en el Oriente Próximo y el Mediterráneo han utilizado columnas. En la arquitectura del antiguo Egipto ya en el 2600 a. C, el arquitecto Imhotep hizo uso de columnas de piedra. Se inspiró en las formas de la naturaleza vegetal de su tierra para transformar e imaginar los haces de cañas utilizados en su primitivos alojamientos como elementos sustentantes en forma de columnas, componente básico de la arquitectura de piedra. Posteriormente, el fuste cilíndrico también fue comúnmente empleado. La decoración de sus fustes podrá asimilarse a juncos atados y sus capiteles, estilizaciones de motivos florales en forma lotiforme (flor de loto), papiriforme (umbela de papiro), palmiforme (hoja de palmera) o campaniforme
14
Según los órdenes arquitectónicos clásicos
Según el fuste
Valeria Perozo
COLUMNAS Una columna suele estar formada por tres elementos: A – capitel B – fuste C – basa En la arquitectura clásica, el fuste descansa sobre la basa y el elemento que sostiene la columna reposa sobre el capitel. Las proporciones y decoración de estos elementos se rigen por los órdenes arquitectónicos.
COLUMNAS CON DIFERENTES ESTILOS ARQUITECTÓNICOS:
Persa
Hindú
Gótico
Cretense Egipcio
Románico
Barroco
Renacentista
La Revolución industrial impulsó la construcción de edificaciones con pilares de acero y hormigón armado, posibilitando realizar cerramientos exteriores sin funciones estructurales, con fachadas sin pilares y totalmente acristaladas el muro cortina. La Arquitectura moderna, el Funcionalismo o la Arquitectura sustentable son algunos modos de concebir el diseño arquitectónico en los últimos siglos. Valeria Perozo
15
VIGAS Una viga es una serie de miembros estructurales que se extienden desde el borde hasta el perímetro, diseñada para soportar la cubierta del techo o el tipo de carga, asociados con los elementos que componen el techo de un edificio. Está pensada para soportar no sólo presión y peso, sino también flexión y tensión, según cuál finalidad predomine será el concepto de viga para ingeniería o arquitectura. En principio, es importante definir que en la teoría de vigas se contempla aquello que es denominado “resistencia de los materiales”. Así, es posible calcular la resistencia del material con que está hecha, y además analizar la tensión, sus desplazamientos y el esfuerzo que puede soportar.
A lo largo de la historia de la construcción se han utilizado vigas para innumerables fines y de diferentes materiales.
DISEÑO DE VIGAS 1- Vigas simplemente armadas Las vigas armadas son vigas de acero compuesto que requieren un módulo de sección mayor que el de las vigas laminadas. La forma más común consiste en dos placas pesadas o patines entre las cuales se solda una placa de alma relativamente delgada.
La altura de las trabes varía entre aproximadamente un vigésimo y un sexto de la longitud, dependiendo de los requisitos del claro y de la carga. Las trabes menos altas son apropiadas si las cargas de servicio son ligeras, las trabes más altas son necesarias si las cargas son pesadas o si se desea mantener las deflexiones a un mínimo.
16
Omar Tineo
VIGAS La viga simplemente armada es la que sólo tienen refuerzo en la zona de tensión, en la figura se muestra un esquema general de ella. Trabes rectangulares simplemente armadas Una trabe de concreto es rectangular cuando su sección transversal cuenta con una altura mayor que su base en donde la altura se denotara “h” y su base con una “b”.
2- Vigas doblemente armadas Las normas de diseño de vigas reforzadas especifican o recomiendan que sólo se necesite refuerzo a tensión y rija el diseño por fluencia del acero para lo cual se establece una cuantía máxima r 75rb = 0. Si la sección escogida no satisface los requisitos entonces se procede a escoger una sección de mayor tamaño. Ocurre, sin embargo, que debido a limitaciones arquitectónicas no es posible incrementar la sección; también puede deberse a conveniencias estructurales como cuando una sección satisface para ciertos valores de momentos, pero para otros no, sobre todo cuando la viga es continua.
Es preciso tener en cuenta que la presencia de refuerzo a compresión disminuye el efecto del flujo plástico y por tanto las deflexiones a largo plazo; de igual manera mejora la ductilidad, no obstante el diseño de vigas con refuerzo a compresión no es económico. Aunque la viga tenga refuerzo a compresión, si la cuantía a tensión es menor que la balanceada, la resistencia de la viga puede calcularse sin tener en cuenta el refuerzo a compresión ya que el acero a compresión está muy poco esforzado y su presencia no altera mucho el brazo de momento.
Omar Tineo
17
VIGAS 3- Vigas “T” Estas se presentan generalmente en las losas que se cuelan monolíticamente con las vigas, tomando las nervaduras como el alma de la viga y el concreto a compresión como el patín. En la figura se muestra un esquema general de una viga T. Para diseñar una viga T, lo primero que se debe hacer es definir el ancho b efectivo de la sección T.
Es el sistema más eficiente de losas para cubrir claros desde 10.00 hasta 24.50metros sin ningún apoyo intermedio y con capacidad de soportar cargas altas como las de bodegas o puentes Regularmente se usa en puentes con claros medianos (10.00 hasta 24.50 m), en pasarelas o en edificaciones donde se requieren entrepisos o techos de concreto con combinaciones de cargas y claros, que imposibilitan el uso de sistemas convencionales de losa.
Ventajas •Cubre grandes claros sin apoyos intermedios. •Soporta cargas altas, inclusive mayor es a las de puentes. •Optimiza el diseño según las necesidades de cada proyecto. •La prefabricación industrializada y la instalación con grúa agilizan y garantizan la calidad necesaria. •Al ser pretensadas, se evitan grietas, protege el contenido de acero, evitando su corrosión. •Se reduce el tiempo de construcción: se construyen losas de techo o entrepiso y superestructuras de puente en menor tiempo que cualquier otro sistema. • Garantía de por vida.
18
Omar Tineo
VIGAS 4- Vigas tipo “T” postensadas Son los elementos de gran dimensión, para aplicaciones de superestructuras de puentes de claros mayores de 25.00 metros. Este sistema permite lograr cubrir claros de hasta 40.00 metros con las cargas normales de un puente, ver figura 7. Se colocan varias vigas “T”, una a la par de la otra, para lograr el ancho de la losa de rodadura requerida
Ventajas •Capacidad de cubrir grandes claros. •Capacidad de soportar cargas importantes. •Transportable, aun para claros de 40.00 metros (en secciones). •Costos competitivos contra sistemas alternativos. •Ningún mantenimiento, duración de por vida. • Solución estética.
Recubrimiento mínimo para vigas
Omar Tineo
19
VIGAS EFECTO DEL DIAGONAL
ESFUERZO
CORTANTE
Y
TENSIÓN
Las vigas son elementos estructurales muy usados en las construcciones para soportar cargas o darle estabilidad a las mismas. Para diseñar una viga es necesario conocer las fuerzas perpendiculares que va a soportar, su sección transversal y, en casos más especializados, las características del material que se utilizará en su construcción.
Esfuerzos cortantes Las fuerzas aplicadas a un elemento estructural pueden inducir un efecto de deslizamiento de una parte del mismo con respecto a otra. En este caso, sobre el área de deslizamiento se produce un esfuerzo cortante, o tangencial, o de cizalladura. Análogamente a lo que sucede con el esfuerzo normal, el esfuerzo cortante se define como la relación entre la fuerza y el área a través de la cual se produce el deslizamiento, donde la fuerza es paralela al área.
El esfuerzo cortante (t) se calcula como: Esfuerzo cortante = fuerza / área donde se produce el deslizamiento.
20
Omar Tineo