ESTRUCTURA
DEFINICIÓN.-
Es un
conjunto estable de elementos resistentes de una construcción con la finalidad
de
soportar cargas y transmitirlas, para llevar finalmente estos pesos o cargas al
suelo.
Esto es,
un conjunto capaz de recibir cargas externas, resistirlas internamente y transmitirlas
a sus apoyos.
El suelo es por último quien recibe todos los efectos producidos por estas fuerzas.
La estructura tendrá entonces forma y dimensiones, constituida por un material apto para resistir (hormigón, madera, acero, etc), y tendrá presente la existencia de vínculos entre los distintos elementos que la componen.
El suelo es por último quien recibe todos los efectos producidos por estas fuerzas.
La estructura tendrá entonces forma y dimensiones, constituida por un material apto para resistir (hormigón, madera, acero, etc), y tendrá presente la existencia de vínculos entre los distintos elementos que la componen.
Factores a tener en el proyecto de una estructura.
ECONOMÍA: con racionalización modulada del proyecto de la obra y como regla general descargas al terreno de las acciones actuantes lo más directas
posibles con el menor recorrido.
RESISTENCIA: a través de adecuadas dimensiones de los elementos estructurales para poder absorber los esfuerzos al que están sometidos.
DURABILIDAD: será mayor que los demás componentes de la construcción.
ESTÉTICA: agradable a la vista, sobre todo en los casos en que quedará expuesta en su totalidad por cuestiones de proyecto.
RESISTENCIA: a través de adecuadas dimensiones de los elementos estructurales para poder absorber los esfuerzos al que están sometidos.
DURABILIDAD: será mayor que los demás componentes de la construcción.
ESTÉTICA: agradable a la vista, sobre todo en los casos en que quedará expuesta en su totalidad por cuestiones de proyecto.
ANÁLISIS ESTRUCTURAL:
El
Análisis Estructural es la parte de la Mecánica que estudia las ESTRUCTURAS, consistiendo este estudio en la determinación de los esfuerzos y
deformaciones a que quedan sometidas, por la acción de agentes
externos (cargas gravitatorias, fuerzas sísmicas, de vientos, variaciones
térmicas, etc.)
Conceptos
fundamentales - Fuerza
Entendemos por fuerza toda
acción sobre un objeto que tiende a modificar el estado de
reposo o movimiento de dicho objeto, o que puede deformarlo de forma permanente o
transitoria.
Al representar las fuerzas emplearemos flechas que denominaremos vectores, estos quedan definidos por un módulo (su valor), por la dirección y sentido.
Momentos: podemos calcular el momento de una fuerza respecto de un punto, como el producto del valor de dicha fuerza por la distancia. El momento tiende a hacer girar un cuerpo, cuanto mayor sea la fuerza o mayor la distancia mayor será el momento.
reposo o movimiento de dicho objeto, o que puede deformarlo de forma permanente o
transitoria.
Al representar las fuerzas emplearemos flechas que denominaremos vectores, estos quedan definidos por un módulo (su valor), por la dirección y sentido.
Momentos: podemos calcular el momento de una fuerza respecto de un punto, como el producto del valor de dicha fuerza por la distancia. El momento tiende a hacer girar un cuerpo, cuanto mayor sea la fuerza o mayor la distancia mayor será el momento.
M = P * d
Hay un punto O impedido de
trasladarse, entonces el cuerpo girará alrededor del punto O por acción de la
fuerza P.
La rotación se mide por el MOMENTO
que es el producto de la intensidad de la fuerza P por la mínima distancia que
va desde el punto O hasta la línea de acción de la fuerza: M = P x d
(la mínima distancia desde un punto hasta una recta se mide sobre la perpendicular
a dicha recta)
SOLICITACIONES QUE SOPORTAN LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN LAS ESTRUCTURAS
ESFUERZO
DE COMPRESIÓN: Es cuando aplicamos dos fuerzas intentando acortar el elemento, reducir
su longitud, hablaremos
de compresión, de un modo
más científico, diríamos que un elemento está
sometido al esfuerzo de compresión cuando actúan sobre él dos fuerzas que
poseen:
- la misma dirección (sobre una misma línea).
- sentido contrario, son convergentes.
Es decir,
están dirigidas hacia un mismo punto.
La forma del elemento (su sección y su longitud)
influye en el comportamiento a
compresión de un elemento, concretamente el factor denominado esbeltez. La esbeltez es la relación que existe entre la longitud del elemento y la superficie que hay en un corte perpendicular (sección recta). Si un elemento es muy largo con relación a la sección, cuando intentemos comprimirlos, se arqueará, efecto que llamaremos PANDEO.
compresión de un elemento, concretamente el factor denominado esbeltez. La esbeltez es la relación que existe entre la longitud del elemento y la superficie que hay en un corte perpendicular (sección recta). Si un elemento es muy largo con relación a la sección, cuando intentemos comprimirlos, se arqueará, efecto que llamaremos PANDEO.
ESFUERZO
DE TRACCIÓN:
Hace que se separen entre sí las distintas partículas que componen
una pieza, tendiendo
a alargarla. Por
ejemplo, cuando se
cuelga un elemento
de una cuerda, la
cuerda queda sometida
a un esfuerzo de tracción, tendiendo a aumentar su
longitud.
ESFUERZO DE
CORTE:
es aquel que actúa tangente a la sección. Se produce cuando se aplican
fuerzas perpendiculares a la pieza, haciendo que las partículas del material
tiendan a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Los puntos sobre los
que apoyan las vigas están sometidos a corte o cizallamiento.
A diferencia del esfuerzo normal, es más difícil
de apreciar en las vigas ya que su efecto es menos evidente.
ESFUERZO
DE TORSIÓN:
Las fuerzas de torsión son las que hacen que una
pieza tienda a retorcerse sobre su eje central.
Torsión es la solicitación que se presenta cuando
se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo y genera un esfuerzo cortante. Están sometidos a
esfuerzos de torsión los ejes las anivelas y los cigüeñales.
FLEXIÓN:
Es una combinación de compresión y de tracción. Mientras que las fibras superiores de la pieza sometida a un esfuerzo de
flexión se alargan, las inferiores se acortan, o viceversa.
En
un elemento constructivo sometido a flexión se generan tensiones normales, ,
de sentido opuesto en la zona comprimida y en la
zona traccionada, que generan un momento interior que
equilibra el momento exterior aplicado.
FLEXO-COMPRESION
LAS TENSIONES.-
Las Tensiones Admisibles con las que cada
material se opone a la deformación y/o rotura bajo la solicitación de las Cargas de
Servicio (Cargas Actuantes), son la que en definitiva determinarán el porte y el
comportamiento de una estructura; en función del material escogido y de acuerdo a su Tensión
Admisible. En principio se obtendrá la sección necesaria de cada elemento estructural, y aleatoriamente se
pueden establecer las posibles deformaciones en relación directa con la rigidez de cada uno de
ellos.
LOS MATERIALES
La Madera
La
madera es un material apto para estructuras de bajo porte en función de su
Tensión.
Admisible (aproximadamente 10MPa), y por
tratarse de un
material natural, visualmente ofrece interesantes efectos estéticos. Más allá
de sus aplicaciones lógicas, es destacable que ante solicitaciones de cierta magnitud,
se necesitan secciones de grandes
dimensiones, las que
pueden exceder las
escuadrías habitualmente comercializadas y/o disponibles. Este factor incidiría
negativamente en el costo de la estructura.
La limitación en la longitud máxima generalmente disponible en tablas y particularmente en tirantes (aprox. 5m), se soluciona utilizando secciones de madera compensada.
El Acero
El acero es el material más
resistente que se pueda utilizar para la construcción de una
estructura, el que más se emplea en tubos y
perfiles en nuestro país, es el de 140MPa de Tensión Admisible; valor que lo
torna apto para resolver estructuras que soportan cargas de gran magnitud y facilita la
rápida ejecución de las mismas. Cabe recordar que se puede contar con una serie de variantes para satisfacer distintos
requerimientos estructurales, tanto en lo formal como en lo dimensional, pudiéndose mencionar:
a) Tubos
Estructurales (circulares, cuadrados y
rectangulares).
b) Perfiles
de chapa de acero galvanizado (Steel Framing).
c) Perfiles
Herrero.
d) Perfiles
de fundición extruídos.
e) Perfiles
de chapa de acero preconformados.
En
forma estándar se los comercializa en longitudes de hasta 6 m, y eventualmente
se los puede solicitar hasta 12 m de longitud (largo máximo de
fabricación).
El Hormigón Armado
Es el
más versátil de
los materiales empleados
en la ejecución
de estructuras resistentes, se distingue por su rigidez y su moldeabilidad.
Este material compuesto por hormigón y barras de acero es apto para todo tipo de
requerimiento estructural. En general se utilizan aceros con una Tensión Admisible de
420MPa; mientras que de acuerdo a los distintos
requerimientos se
pueden utilizar hormigones
que varían en
su Resistencia
Característica a la Rotura por Compresión, entre
los 17 y los 80MPa; destacándose
que hasta cierto
rango de resistencia (H-21) el hormigón puede ser elaborado en obra. Las
estructuras de
Hormigón Armado representan
aproximadamente entre el 85% de
las estructuras construidas en el mundo, y ello se debe a su bajo costo comparativo con las
estructuras de acero.
Este es
un material de uso muy limitado. Si bien presenta mayor fragilidad que el hormigón, posee una considerada resistencia a la compresión (en el orden
de los 50MPa), pero una muy baja resistencia a la
flexión, lo que lo hace apto sólo para elementos estructurales comprimidos
y en circunstancias muy particulares.
El Aluminio
Es posible realizar estructuras con tubos
estructurales de aluminio, y si bien su
capacidad portante es muy inferior a la resultante de la Tensión .admisible del Acero,
es destacable su capacidad para soportar la acción de la corrosión; en este caso, se
deben mencionar las variantes formales y estéticas que se pueden obtener con este
material.
capacidad portante es muy inferior a la resultante de la Tensión .admisible del Acero,
es destacable su capacidad para soportar la acción de la corrosión; en este caso, se
deben mencionar las variantes formales y estéticas que se pueden obtener con este
material.
EL RITMO
La construcción
tradicional generalmente se ha ocultado la estructura con distintos revestimientos como los revoques. Este hecho no permite visualizar la
estructura y si bien al observar un plano de la misma se puede
apreciar cierta lectura, se pierde al materializar el proyecto.
El ritmo de una estructura
lo determina la disposición ordenada y secuencial de los distintos elementos
que componen la trama estructural de la construcción.
LA MODULACION
Si bien
ciertos proyectos de viviendas individuales o ejemplos aislados de espacios culturales o religiosos no permiten modular la estructura y se debe
recurrir a otro tipo resolución,
siempre que resulte
posible, es conveniente
diseñar una estructura modulada; módulos
que indiferentemente pueden
ser irregulares o
regulares, resultando estos últimos los más convenientes.
Un caso particular a mencionar es el de las
estructuras de edificios de más de 10 plantas, donde
el denominado Efecto de rototraslación causado por la Acción del Viento y/o la Acción Sísmica, imponen la Resolución Simétrica de la
planta de estructura; resolución que se puede observar en
muchos de las más altas torres que actualmente se exhiben en distintos
lugares del mundo.
Es
importante recordar los desatacados beneficios que aporta la resolución de una
estructura
en forma modulada, y por que no, simétrica; notándose sobre otros factores:
1) Distribución uniforme de las cargas en todos los elementos
estructurales.
2) Uniformidad en los espesores
de losas y altura de vigas.
3) Uniformidad en las secciones de tabiques y columnas.
4) Distribución uniforme de las secciones ó armaduras de acero (Hormigón
Armado) en cada uno de los elementos estructurales.
Armado) en cada uno de los elementos estructurales.
5) Rapidez en la ejecución de los encofrados por unificarse alturas y
niveles.
6) Mayor rapidez en la colocación de las armaduras.
7) Economía final en el costo se la estructura.
ELEMENTOS ESTRUCTURALES:
Columna
o pilar: es una barra apoyada verticalmente, cuya
función es la de soportar cargas o el peso de otras partes de la
estructura. Los principales esfuerzos que soporta son de compresión y pandeo.
-Los
materiales constituyentes de estos elementos
son diversos:
-Madera,
acero, hormigón armado, mampostería, etc.
Suelen
ser de forma geométrica regular (cuadrada o rectangular) y también de sección
circular.
Viga:
es una pieza o barra horizontal, con una
determinada forma en función del esfuerzo que
soporta. Están sometidas a esfuerzos de flexión. Están constituídas generalmente en acero, hormigón armado, pretensado, postesado y
madera.
Losa o placa:
elemento horizontal en el
que una dimensión es pequeña con relación a las otras dos, esto es, el espesor es pequeño respecto a su superficie. Se denomina forjado a la materialización de la losa a través de un
paquete estructural donde intervienen viguetas
pretensadas y bovedillas, con su correspondiente capa de compresión.
Estructura
de hormigón armado
Planta
La
transmisión de las cargas se efectúa de las losas a las vigas, éstas a las columnas y
finalmente éstas a las bases ó fundación.
Es una estructura mixta cuando losas y vigas
apoyan sobre muros portantes de mampostería,
pudiendo existir también columnas de hormigón intercaladas en los muros resistentes y de cerramiento. Y será una
estructura independiente si todos los elementos estructurales son de hormigón armado.
Base o fundación: es el elemento encargado de soportar y repartir en la tierra todo el peso de la
estructura, impidiendo que
ésta sufra movimientos
importantes. Los materiales de los que se compone son hormigón armado y sin
armar, mampostería, acero,
etc.
A su vez las fundaciones pueden ser superficiales y profundas y de
formas diferentes: zapatas, pozos, pilotes,
etc.
Detalle de cimiento para
muro
Fundación
por pilotes Base
centrada
Muro
portante: soporta los esfuerzos en toda su longitud, de forma que reparten
las cargas. Los materiales de los que están construidos son variados: la
piedra, fábrica de ladrillos, de hormigón, etc.
Tensor: elemento que
está sometido principalmente a esfuerzos
de tracción. Otras denominaciones que recibe según las aplicaciones son:
riostra, cable y tornapunta. Algunos materiales que se usan para fabricarlos son, cables de acero,
cadenas, listones de madera, etc.
Arco: aporta
solidez y es utilizado muchas veces para salvar grandes distancias.
ESTRUCTURAS RETICULARES
Están
formadas a base de triángulos unidos entre sí. El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando actúa sobre él una fuerza. Al
aplicar una fuerza de compresión
sobre uno cualquiera de los vértices de un triángulo formado por tres vigas, automáticamente las dos vigas que parten de
dicho vértice quedan sometidas a dicha fuerza de compresión, mientras que la
tercera quedará sometida a un esfuerzo de tracción.
Este tipo de estructuras, llegan a adquirir una
gran rigidez y tienen infinidad de aplicaciones,
se han conseguido vigas de una gran longitud y resistencia, que se llaman vigas reticuladas o arriostradas y que se emplean mucho en
la construcción de grandes edificaciones que necesitan cubrir
amplias zonas sin posibilidad de columnas, así como en la
de puentes de una gran luz. Las vigas de este tipo tienen una mayor resistencia
que las vigas macizas.
En toldos de lonas se pueden observar, durante los procesos de montaje y
desmontaje, los triángulos que soportan el
peso de la lona que las cubre. Estos triángulos se denominan cerchas.
Principales
tipos de armaduras
Esquema de estructura
metálica
Las barras que componen
estas estructuras se fabrican en diferentes formas, a la sección transversal
perpendicular al eje longitudinal se le denomina perfil.
Principales
secciones de perfiles utilizados
Planta de torre metálica
Niveles +3.0 a +10.0
Soldadura:
se trata de un sistema que une las partes de forma permanente (fija),
por
tanto es apropiado para estructuras que no van a ser desmontadas o trasladadas.
Métodos de soldadura hay muchos, pero básicamente consiste en calentar las piezas a
unir de manera que mediante la aportación de un material fundente o no, queden
perfectamente unidas.
tanto es apropiado para estructuras que no van a ser desmontadas o trasladadas.
Métodos de soldadura hay muchos, pero básicamente consiste en calentar las piezas a
unir de manera que mediante la aportación de un material fundente o no, queden
perfectamente unidas.
Unión mediante tornillos: es el apropiado para
estructuras que son desmontables, de forma que las diferentes partes de la
estructura quedan unidas mediante un tornillo y su correspondiente tuerca.
Remaches: consiste en unir de forma permanente dos o más piezas, haciendo pasar
por un orificio un metal en forma de chaveta cilíndrica, que es posteriormente
deformado.
por un orificio un metal en forma de chaveta cilíndrica, que es posteriormente
deformado.
CARGAS ACTUANTES SOBRE LAS ESTRUCTURAS.
Cargas
Cargas
Fuerzas
exteriores activas, concentradas en kN (1 kN = 100 kgf) o distribuidas por
unidad de longitud en kN/m (1 kN/m = 100 kgf/m), por unidad de superficie en kN/m2 (1 kN/m2 = 100 kgf/m2) o por unidad de volumen en kN/m3 (1 kN/m3 = 100 kgf/m3).
unidad de longitud en kN/m (1 kN/m = 100 kgf/m), por unidad de superficie en kN/m2 (1 kN/m2 = 100 kgf/m2) o por unidad de volumen en kN/m3 (1 kN/m3 = 100 kgf/m3).
Por ejemplo: cargas gravitatorias, cargas originadas por viento,
frenado, etc.
Carga de
servicio
Acciones
(estados de carga) a los cuales puede ser sometido un elemento estructural durante el
uso para el cual ha sido previsto.
Existen
además otras cargas accidentales consideras por los reglamentos de manera horizontal
como son las generadas por el viento y por los sismos.
Ejemplo de determinación
de la carga actuante:
Supongamos en el siguiente caso, que necesitamos
determinar la carga total del esquema
correspondiente a una losa de 1m x 1m de superficie perteneciente a un sector del comedor de una vivienda.
Peso propio (p.p):
Losa de HºAº 0,08m
x 2400 kg/m 3 = 192 kg/m2
Contrapiso 0,08m
x 1600 kg/m3 = 128 kg/m2
Piso (carpeta de cto,
adhesivo y cerámico) = 50
kg/m2
370 kg/m2
+
+
Sobrecarga:
Para comedor de vivienda 200
kg/m2
La carga total por metro
cuadrado será de: 570 kg/m2
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