Clases: UNIDAD I. Sistemas Estructurales.

SISTEMAS ESTRUCTURALES

Nido de Pájaro. Beijing - China

Torres Petronas. Kuala Lumpur - Malasia

Capital Gate - Abu Dhabi

Los Edificios anteriores nos demuestran que todo es posible mientras exista la Ingeniería!!!

Ante estas imágenes surgen algunas preguntas...

De que vale que los arquitectos diseñen edificios si no se aplican las normas para el calculo de Edificaciones?

De que nos vale tener edificios que no sean confiables estructuralmente hablando? 

De que vale tener edificios que hayan sido diseñados y calculados siguiendo las mas estrictas normas si no tenemos profesionales que estén comprometidos con nuestra carrera, manteniendo en alto la ética y la moral en la ejecución de los trabajos?

Todo esto es con la simple intención de que los alumnos puedan apreciar la importancia de nuestra carrera dentro de la sociedad,  importancia que supera cualquier interés particular y personal ya que muchas personas dependerán de nuestro trabajo...

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Para dar comienzo con la UNIDAD I de la Materia Proyectos Estructurales tenemos: 

I PARTE.

1.- Ingeniería de Estructuras

1.1.-Introducción

Todas las estructuras deben ser Diseñadas y Construidas para que, con una seguridad aceptable, sea capaz de soportar todas las acciones que la puedan solicitar durante la construcción y el período de vida útil previsto en el proyecto así como la agresividad del medio.

El análisis estructural consiste en la determinación de los efectos originados por las acciones sobre la totalidad o parte de la estructura, con el objeto de efectuar comprobaciones en sus elementos resistentes.

Para la realización del análisis y diseño estructural, se idealizan tanto la geometría de la estructura como las acciones y las condiciones de apoyo mediante un modelo matemático adecuado. El modelo elegido debe ser capaz siempre de reproducir el comportamiento estructural dominante.

Generalmente, las condiciones de compatibilidad o las relaciones tenso-deformacionales de los materiales resultan difíciles de satisfacer estrictamente, por lo que pueden adoptarse soluciones en que estas condiciones se cumplan parcialmente, siempre que sean equilibradas y que se satisfagan a posteriori las condiciones de ductilidad apropiadas.

1.2.- Ingeniería Estructural Conceptual

La ingeniería estructural conceptual es la elaboración de propuestas de solución en términos de conceptos generales, es decir ideas que permitan resolver el problema de la existencia de la estructura. Se refiere a la posibilidad del equilibrio y de la estabilidad que debe existir mucho antes de cualquier comprobación numérica.

En esta etapa se definen los sistemas resistentes, eligiendo los tipos estructurales y organizándolos en el espacio. Es la etapa más importante del proceso de análisis y diseño, pues una vez definido el sistema resistente el resto del proceso es una consecuencia. También es la etapa que más experiencia requiere, lo que deja descolocados a los alumnos. De todos modos la única manera de adquirir experiencia en este campo es intentar un diseño y luego criticarlo, es decir, analizarlo para estudiar sus ventajas e inconvenientes.

Otra cuestión relacionada con este tema es la coherencia entre la estructura y la arquitectura. Es un error frecuente adoptar estructuras que tienen características incompatibles con las del edificio: el ejemplo más típico es la utilización de estructuras relativamente flexibles por ejemplo: pórticos con vigas y columnas de ciertas dimensiones, ubicados dentro del edificio, en construcciones con cerramientos muy rígidos como mampostería.

Otro error es utilizar estructuras que compiten por el espacio físico con los espacios funcionales del edificio. Es lo que sucede si se pretende utilizar pórticos internos cuando la altura disponible para las vigas o el espacio para las columnas están muy limitado por las necesidades funcionales.

Existe una tendencia a considerar la estructura como algo separado, que se apoya en la fundación y a su vez esta se apoya en el suelo el que se considera indeformable o, en todo caso, que sus deformaciones no influyen sobre la estructura. De ningún modo esto es así y menos para acciones horizontales importantes. La estructura es una sola: superestructura, fundación y suelo forman un único sistema resistente que debe ser estudiado unitariamente. Por lo tanto desde el principio se debe considerar cada tipo estructural en relación con las posibilidades de fundación y la interacción con el suelo.

1.3.- Ingeniería Estructural Básica

Es el momento de iniciar los análisis estructurales que pueden ser eficaces pero que deberían poner en evidencia las interacciones entre los distintos sistemas que componen la estructura. La dificultad más grande que se encuentra es modelar la estructura, ya que es aquí donde se trata de definir las dimensiones de los componentes estructurales con una precisión adecuada para garantizar la compatibilidad final de la solución estructural.

La solución elegida debe ser viable desde el punto de vista funcional, que garantice el equilibrio, las dimensiones de los componentes estructurales deben ser aceptables para los espacios funcionales de la construcción al igual que para su economía. Se supone que cuando se realicen el análisis y la verificación los detallados de la estructura y las dimensiones de los componentes serán confirmadas con variaciones poco significativas

1.4.- Ingeniería Estructural de Análisis y Diseño

Esta parte de la Ingeneiria consiste en analisis el modelo que se desea estudiar, analizar su comportamiento, si se sabe cómo funciona la estructura se puede encontrar un modelo analítico que resuelva ese funcionamiento. 

Saber cómo funciona una estructura es saber cómo se deforma.

Hay un solo camino para aprender a modelar: modelando e interpretando los resultados, en particular las deformaciones. Por otra parte es un hecho que no se puede enseñar a modelar, se aprende, es decir, en situación de modelar e interpretar resultados. Una cuestión que debe tenerse siempre presente es que con frecuencia no hay un solo modelo que permita describir todos los aspectos del funcionamiento de la estructura.

Con frecuencia hay que emplear más de uno y obtener resultados “envolventes” que permitan estimar el funcionamiento probablemente intermedio de la estructura real. Es obvio que las técnicas de modelado varían con los medios auxiliares de cálculo disponibles y que cada vez hacen posible mayor precisión en la descripción de los fenómenos físicos.

Una vez superada la etapa de análisis de solicitaciones de los sistemas y componentes se puede entrar en el Diseño de Concreto Estructural. Existen algunas dificultades prácticas para los alumnos en esta etapa: falta agilidad para los análisis de cargas, falta agilidad para el dimensionado y especialmente la verificación de secciones de concreto armado sometidas a distintas solicitaciones.

1.5.- Ingeniería Estructural de Detalle

Hay muchas maneras de armar una estructura, algunas son buenas y no todas son adecuadas para un caso específico; sin embargo hay muchísimas más maneras de armar mal una estructura.

Ese arte debe ser practicado con constancia y, sobre todo, con sentido crítico, mirando mucho los problemas de obra (para lo cual hay que visitar las obras), como una actividad creativa de aprendizaje personal. También hay que estudiar planos de detalles de armado, buenos y malos; para aprender a distinguir unos de otros.

1.6.- Redacción del Proyecto de Ingeniería Estructural

Es la preparación de todos los documentos literales y gráficos necesarios para que todos los interesados en el proceso de la construcción puedan comprender cabalmente la idea del diseñador y verificarla. Además es necesaria para que en el futuro la obra pueda ser mantenida apropiadamente y, si es el caso, renovada o modificada.

También este aspecto es muy descuidado. Se presentan hojas de salidas de computadora con poca o ninguna información útil para la obra, a veces acompañadas de hojas casi en borrador, sin identificación adecuada de los pasos o de los procesos; por lo que es necesario redactar documentos entre los que podemos citar:

Memoria descriptiva de los procesos de análisis: lista de normas empleadas, descripción de los procedimientos de análisis, hipótesis de análisis: vínculos, acciones, etc., información que permita interpretar los aspectos analíticos del proyecto.

Memoria de análisis: todos los resultados del análisis y verificación de los componentes de la estructura. Es aconsejable que las salidas de los programas, que suelen ser voluminosas, se presenten en anexos a la misma.

Las especificaciones técnicas particulares: es aconsejable remitir la especificación a las normas en todo lo posible, para evitar documentos extensos que nadie lee.

En toda la preparación de la documentación se debe tener presente que es necesario presentar toda la información del modo más claro posible. No es cuestión de producir documentos extensos sino completos y claros.

La Memoria de todos los Proyectos Estructurales deben constar de un Anexo de Cálculo, en donde se justifique razonadamente, el cumplimiento de las condiciones que exigen a la estructura en su conjunto y a cada una de las partes en las que puede suponerse dividida, con objeto de garantizar la seguridad y el buen servicio de la misma.

Sistemas Estructurales o arquitectónicos por tipo y modo de trabajo

Sistemas porticados

Un sistema porticado es el que utiliza como estructura una serie de pórticos dispuestos en un mismo sentido. Es independiente de su arriostramiento, ya que podrá hacerse con pórticos transversales, cruces de San Andrés, pantallas u otros métodos; el material utilizado generalmente es concreto o acero y se usa madera en casos muy particulares.

El sistema porticado es el más utilizado hoy en día en la mayoría de las construcciones.

En el sistema porticado se tiene que las losas de entrepisos o de techo transmiten las cargas a las columnas o muros y éstos a su vez a las fundaciones o cimentaciones.

Sistemas abovedados

Con un origen hipotético en los primeros hornos de fundición, fue un sistema muy utilizado en Mesopotamia y la Edad Media europea. Se basa en bóvedas, que centran las cargas en arcos reforzados por pilastras o contrafuertes. Para utilizarlo se precisan materiales que aguanten bien los esfuerzos de compresión, por lo que tradicionalmente se han construido en ladrillo cerámico o piedra.

Puede hacerse una subdivisión con los sistemas cupulados, cuyas cúpulas se arriostran con pechinas, permitiendo espacios centrales muy amplios. Este sistema fue muy utilizado en el Imperio bizantino, siendo su ejemplo más conocido Santa Sofía, en Estambul.

Sistemas tensados

Se dice de todos los sistemas que trabajan a tracción, como los de cables. Pueden ejemplificarse en las carpas de los circos. También pueden ser sistemas de barras rígidas. Los materiales que se utilizan son los que tienen una elevada resistencia a tracción, como el acero.

Sistemas mixtos

Hay sistemas que utilizan propiedades de los anteriormente citados. Por ejemplo, sistemas en voladizo que utilizan un gran apoyo que funciona a compresión, con un cable a modo de segundo apoyo, que a su vez lleva las cargas al primero. Fundamentalmente, el primer apoyo estará trabajando a compresión compuesta, el voladizo realmente será una viga que funcione a flexión, y el cable trabajará a tracción.

SISTEMAS ESTRUCTURALES

Un sistema estructural deriva su carácter único de cierto número de consideraciones que son las siguientes:

·         Funciones estructurales especificas, resistencia a la compresión, resistencia a la tensión,  para cubrir claros horizontales y/o verticales.

·         La forma geométrica u orientación.

·         El o los materiales de los elementos.

·         La forma y unión de los elementos.

·         La forma de apoyo de la estructura.

·         Las condiciones específicas de carga.

·         Las consideraciones de usos impuestas.

·         Las propiedades de los materiales, procesos de producción y la necesidad de funciones especiales como desarmar o mover

Existen características para calificar los sistemas disponibles que satisfagan una función específica. Los siguientes puntos son algunas de estas características:

o    ECONOMÍA

o    NECESIDADES ESTRUCTURALES ESPECIALES

o    PROBLEMAS DE DISEÑO

o    PROBLEMAS DE CONSTRUCCIÓN

o    MATERIAL Y LIMITACIÓN DE ESCALA

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES

ESTRUCTURAS MACIZAS: Son aquellas en las que la resistencia y la estabilidad se logran mediante la masa, aun cuando la estructura no sea completamente sólida.

ESTRUCTURAS RETICULARES: Consiste en una red de elementos ensamblados

ESTRUCTURAS SUPERFICIALES: Pueden tener alto rendimiento debido a su función doble como estructura y envolvente, pueden ser muy estables y fuertes.

TIPOS DE ESTRUCTURAS

MUROS ESTRUCTURALES

Cuando este sistema se utiliza tiene dos elementos distintivos en la estructura general del edificio:

Muros: Utilizados para dar estabilidad lateral, así como apoyo a los elementos que cubren el claro. Generalmente son elementos a compresión. Pueden ser monolíticos o entramados ensamblados de muchas piezas.

Aunque no se utilizan para transmisión de carga vertical se utilizan, a menudo, para dar estabilidad lateral.

Elementos para cubrir claros (losas): Funcionan como pisos y techos. Dentro de estos se encuentran una gran variedad de ensambles, desde simples tableros de madera y viguetas hasta unidades de concreto premezclado o armaduras de acero.

SISTEMA DE POSTES Y VIGAS

El uso de troncos y árboles en las culturas primitivas como elementos de construcción fue el origen de este sistema básico, la cual es técnica constructiva importantes del repertorio estructural.

Los dos elementos básicos son:

Poste: es un elemento que trabaja a compresión lineal y está sujeto a aplastamiento o pandeo, dependiendo de su esbeltez relativa.

Viga: básicamente es un elemento lineal sujeto a una carga transversal; debe generar resistencia interna a los esfuerzos cortantes y de flexión y resistir deflexión excesiva. La estructura de vigas y postes requiere el uso de un sistema estructural secundario de relleno para producir las superficies de los muros, pisos y techos.

Algunas variaciones de este sistema son:

·         Extensión de los extremos de las vigas

·         Sujeción rígida de vigas y postes

·         Sujeción rígida con extensión de los extremos de las vigas

·         Ensanchamiento de los extremos del poste

·         Viga continua

MARCOS RÍGIDOS

Cuando los elementos de un marco lineal están sujetos rígidamente, es decir, cuando las juntas son capaces de transferir flexión entre los miembros, este sistema asume un carácter particular. Si todas las juntas son rígidas, es imposible cargar algunos de los miembros transversalmente sin provocar la flexión de los demás.

SISTEMA DE ARMADURAS

 Una estructura de elementos lineales conectados mediante juntas o nudos se puede estabilizar de manera independiente por medio de tirantes o paneles con relleno rígido. Para ser estables internamente o por si misma debe cumplir con las siguientes condiciones:

·         Uso de juntas rígidas

·         Estabilizar una estructura lineal: Por medio de arreglos de los miembros en patrones rectangulares coplanares o tetraedros espaciales, a este se le llama celosía.

SISTEMA DE ARCO, BÓVEDA Y CÚPULA:

El concepto básico del arco es tener una estructura para cubrir claros, mediante el uso de compresión interna solamente. El perfil del arco puede ser derivado geométricamente de las condiciones de carga y soporte. Para un arco de un solo claro que no está fijo en la forma de resistencia a momento, con apoyos en el mismo nivel y con una carga uniformemente distribuida sobre todo el claro, la forma resultante es la de una curva de segundo grado o parábola. La forma básica es la curva convexa hacia abajo, si la carga es gravitacional.

ESTRUCTURAS DE SUPERFICIES

Son aquellas que consisten en superficies extensas, delgadas y que funcionan para resolver solo fuerzas internas dentro de ellas. El muro que resiste la compresión, que estabiliza el edificio al resistir el cortante dentro de un plano y al cubrir claros como una viga, actúa como una estructura de superficie. La bóveda y la cúpula son ejemplos de este tipo.

Las estructuras de superficie más puras son las que están sometidos a tensión. Las superficies a compresión deben de ser más rígidas que las que soportan tensión, debido a la posibilidad de pandeo.

MATERIALES ESTRUCTURALES

Consideraciones generales:

En el estudio o diseño de estructuras, interesan las propiedades particulares de los materiales. Estas propiedades críticas se pueden dividir en propiedades estructurales esenciales y propiedades generales.

Propiedades estructurales esenciales:

·         Resistencia: puede variar para los diferentes tipos de fuerzas, en diferentes direcciones, en diferentes edades o diferentes valores de temperatura o contenido de humedad.

·         Resistencia a la deformación: grado de rigidez, elasticidad, ductilidad; variación con el tiempo, temperatura, etc.

·         Dureza: resistencia al corte de la superficie, raspaduras, abrasión o desgaste.

·         Resistencia a la fatiga: pérdida de la resistencia con el tiempo; fractura progresiva; cambio de forma con el tiempo.

·         Uniformidad de estructura física: vetas y nudos en la madera, agrietamiento del concreto, planos cortantes en la roca, efectos de la cristalización en los metales.

Las propiedades generales:

·         Forma: natural, remoldada o reconstituida.

·         Peso: como contribuyente a las cargas gravitacionales de la estructura.

·         Resistencia al fuego: combustibilidad, conductividad, punto de fusión y comportamiento general de altas temperaturas.

·         Coeficiente de expansión térmica: relacionado con los cambios dimensionales debidos a las variaciones de temperatura.

·         Durabilidad: resistencia al clima, pudrición, insectos y desgastes.

·         Apariencia: natural o modificada.

·         Disponibilidad y uso.

LA ELECCIÓN DE MATERIALES DEBE HACERSE A MENUDO CON BASE EN VARIAS PROPIEDADES, TANTO ESTRUCTURALES COMO GENERALES. SE TIENE QUE CATEGORIZAR LAS DIVERSAS PROPIEDADES, SEGÚN SU IMPORTANCIA.

MADERA:

Las limitaciones de forma y tamaño se han ampliado mediante la laminación y los adhesivos. Las técnicas especiales de sujeción han hecho estructuras de mayor tamaño mediante un mejor ensamble. La combustibilidad, la podredumbre y la infestación de insectos se pueden retardar con la utilización de impregnaciones químicas. El tratamiento con vapor o gas amoniacal puede hacer altamente flexible a la madera, permitiéndole asumir formas plásticas.

ACERO:

El acero se usa en gran variedad de tipos y formas en casi cualquier edificio. El acero es el material más versátil de los sistemas estructurales. También es el más fuerte, el más resistente al envejecimiento y el más confiable en cuanto a calidad. El acero es un material completamente industrializado y está sujeto a estrecho control de su composición y de los detalles de su moldeo y fabricación. Tiene las cualidades adicionales deseables de no ser combustible, no pudrirse y ser estable dimensionalmente con el tiempo y los cambios de temperatura. Las desventajas son su rápida absorción de calor y la perdida de resistencia (cuando se expone al fuego), corrosión (cuando se expone a la humedad y al aire).

CONCRETO:

La palabra concreto se usa para describir una variedad de materiales que tienen un elemento en común: el uso de un agente aglutinante o aglomerante para formar una masa solida a partir de un agregado suelto inerte ordinario. Los tres ingredientes básicos del concreto ordinario son agua, agente aglomerante (cemento) y agregado suelto (arena y grava).

El concreto ordinario tiene varios atributos, el principal es su bajo costo general y su resistencia a la humedad, la oxidación los insectos, el fuego y los desgastes. Puede tomar una gran variedad de formas.

Su principal desventaja es la falta de resistencia al esfuerzo de tensión. Debido a su amorfismo, su moldeado y acabado presentan, a menudo, los mayores gastos en su uso. El premezclado de fábrica en formas permanentes es una técnica común utilizada para superar ese problema.

ALUMINIO:

Se usa para una gran variedad de elementos estructurales, decorativos y funcionales en la construcción de edificios. Las principales ventajas son su peso ligero y su alta resistencia a la corrosión. Entre las desventajas están su suavidad, su baja rigidez, sus grandes variaciones de dimensión por su expansión térmica, su baja resistencia al fuego y su costo relativamente alto.

MAMPOSTERÍA:

Se usa para describir una variedad de deformaciones que constan de elementos separados entre sí por algún elemento aglutinante. Los elementos pueden ser roca bruta o cortada, losetas o ladrillos cocidos de arcilla, o unidades de concreto. Tradicionalmente, el aglutinante es mortero de cemento-cal. El ensamble resultante es similar a una estructura de concreto y posee muchas propiedades.

Dos importantes de la estructura de mampostería son la contracción del mortero y el agrietamiento por expansión térmica.

PLÁSTICOS:

Los elementos de plástico representan la mayor variedad de uso de la construcción de edificios. Algunos de los principales problemas con los plásticos son su falta de resistencia al fuego, escasa rigidez, expansión térmica e inestabilidad química o física con el tiempo.

Algunos de los usos importantes en la construcción son:

·         Sustituto del vidrio

·         Revestimiento

·         Adhesivos

·         Elementos moldeados

·         Espumas

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Fuente Bibliográfica

·         https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_estructural

g    "Guía para Análisis y Diseño Estructural de Edificios de Hormigón Armado”. Por: Patricio Marcelo Vasco López. AGOSTO 2003