Sistemas-Estructurales-Dr-Julio-César-Rolón-Aguilar

ESTRUCTURACION

Dr. Julio César Rolón Aguilar

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2. SISTEMAS ESTRUCTURALES

En la elección del sistema estructural son importantes el tipo y magnitud del esfuerzo a que estarásometida la estructura, las características de las solicitaciones y la geometría de la estructura consideradacomo un conjunto.

Las Estructuras se pueden construir de:- Madera- Mampostería- Concreto- Acero- Combinaciones de estos materiales

Muros de Carga

La primera forma estructural empleada consistía en un sistema de pisos ( losa y trabe) apoyadossobre muros que transmitian la carga a la cimentación y el suelo.

Originalmente los elementos horizontales de carga fueron de madera, hasta principios del siglopasado en que empezaron a utilizarse las vigas de acero para posteriormente utilizar el concreto reforzado.

Este sistema es aún utilizado en edificios de habitación de poca altura en los que los muros sonutilizados como muros de carga y además dividen el interior del edificio.

Se supone que estos muros no se van a destruir posteriormente ya que forman parte integral de laestructura; en este tipo de estructuración los muros son de block o tabique, confinados por castillos ycadenas, su espesor puede alcanzar valores prácticos máximos de 28 cm.

Al aumentar la altura de los edificios, el grosor de los muros de los niveles inferiores aumenta, lo queorigina una pérdida de área útil cada vez más grande. Por este motivo este sistema está limitado a edificaciónde poca altura.

Se tienen noticias de que en 1891 la construcción a base de muros de mampostería alcanzó sumáximo desarrollo en Chicago con el edificio Monadnock de 17 pisos (64 m) de altura y con muros en plantabaja de 2.14 m de espesor.

ESTRUCTURACION


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Marcos Rígidos

El tipo de estructuración más común hoy en día para edificios tanto de concreto comode acero es el que utiliza marcos rígidos.

Los marcos formados por columnas y trabes estan unidos formando uniones rígidas capaces detransmitir los elementos mecánicos en la viga sin que haya desplazamientos lineales ó angulares entre susextremos y las columnas en que se apoya.

Sobre las vigas principales, que además de resistir las cargas verticales ayudan a resistir las cargaslaterales, se apoyan en algunos casos las vigas secundarias encargadas de soportar el sistema de piso.

El empleo de este sistema se debió al desarrollo de nuevos materiales y sistemas de construcción(concreto armado, acero soldado) y a nuevos métodos de análisis y dimensionamiento.

El sistema convencional Losa_Trabe_Columna (Marco Rígido) ha sufrido variaciones,ejemplo: el desarrollo de la losa plana que al no contener vigas o trabes redunda en una mayor economíaen cimbra, acabados, peralte, alturas de entrepisos lográndose de esta manera adicionar un entrepiso porcada 10 construidos.

Otro sistema reciente es el de muros de cortante que sirve para proporcionar rigidezen el sentido transversal y para resistir las fuerzas laterales del viento y sismo, así mismopuede soportar las cargas verticales.

En la actualidad los muros de cortante se recomiendan en todo edificio que exceda una altura de 15pisos.

ESTRUCTURACION


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TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES

SISTEMA DE VIGAS Y COLUMNAS

SISTEMA DE LOSA PLANACON CAPITELES EN COLUMNAS

SISTEMA DE LOSA PLANA

ESTRUCTURACION


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LOSARETICULAR O

PLANACOLUMNAS

MURO DECONCRETO

COLUMNA

MURODE

CONCRETO

TRABE

LOSA

MUROS DE CONCRETO,COLUMNAS, Y LOSA PLANA

O RETICULAR

MUROS DE CONCRETO,COLUMNAS, Y LOSAS

LOSADE

CONCRETO

MURODE

CARGA

LOSAPLANA

COLUMNAS

LOSA PLANAO

RETICULAR

COLUMNAS

LOSA

TRABES

COLUMNAS

MUROS DE CARGAY LOSA

COLUMNAS YLOSA PLANA

COLUMNAS YLOSA RETICULAR

O PLANA

COLUMNASTRABES Y LOSA

TIPOS DE ESTRUCTURAS

ESTRUCTURACION


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SISTEMA DE MUROS DE CORTANTE

SISTEMA TUBO EN TUBO

SISTEMA TUBO DE VARIAS CELULAS

SISTEMAS ESTRUCTURALES

ESTRUCTURACION


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HAGASE EVITESE COMENTARIOS

Asimetría de los miembrosresistentes del cortante horizontal.Problemas de análisis y torsión.

Torres de acceso que se proyectan.Problemas con análisis y detalle

Mal, por efectos asimétricos

Téngase cuidado delcomportamiento diferencial en losextremos opuestos de edificioslargos.

Buena simetría, análisis menosfácil.

Ideal por comportamiento y análisis.

Aunque simétricas, las alas largasimplican problemas en la prediccióndel comportamiento.

REGLAS DE DISTRIBUCION EN PLANTA

ESTRUCTURACION


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REGLAS PARA FORMAS EN ALZADOS

123456781234567812345678123456781234567812345678123456781234567812345678

123456781234567812345678123456781234567812345678123456781234567812345678

12345678901234567890123456789012123451234567890123456789012345678901212345123456789012345678901234567890121234512345678901234567890123456789012123451234567890123456789012345678901212345

123456789012345678123456789012345678123456789012345678

123456789012345671234567890123456712345678901234567

12345678901234567123456789012345671234567890123456712345678901234567

HAGASE EVITESE COMENTARIOS

Los efectos de remetimiento defachadas no pueden predecirsemediante los análisis estáticosequivalentes comunes de losreglamentos.

b

h < 4b

123456789012345678123456789012345678123456789012345678123456789012345678

b

h > 4b

12345678901234567890123456789012123451234567890123456789012345678901212345123456789012345678901234567890121234512345678901234567890123456789012123451234567890123456789012345678901212345

REGLAS PARA MARCOS VERTICALES

12345678901234567890123456789012123451234567890123456789012345678901212345123456789012345678901234567890121234512345678901234567890123456789012123451234567890123456789012345678901212345

12345671234567123456712345671234567123456712345671234567123456712345671234567123456712345671234567123456712345671234567

123456789012345678901234567890121234123456789012345678901234567890121234123456789012345678901234567890121234123456789012345678901234567890121234

12345678123456781234567812345678123456781234567812345678123456781234567812345678123456781234567812345678123456781234567812345678123456781234567812345678123456781234567812345678123456789012345678901234567890121234

123456789012345678901234567890121234123456789012345678901234567890121234123456789012345678901234567890121234

Evitar la baja continuidad de voladizos,no hay mecanismo de falla seguro

Los edificios muy esbeltos tienendeformaciones horizontalesexcesivas.

Evitar cambios de rigideces con laaltura.Problemas de análisis y detallado.

Comentarios similares a los de arriba.Puede demostrarse que el "piso suave"es vulnerable.

Muro de cortante

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Sistema de Tubo

El sistema más reciente para edificios altos es el tipo de Tubo, que consiste en un arreglo perimetralde columnas exteriores colocadas muy cerca entre sí e interconectadas con vigas, lo que proporciona unaenorme rigidez a los edificios muy altos. Este sistema evolucionó el sistema denominado Tubo con Tubo, setrata de un núcleo rígido en la parte central del edificio dentro de la estructura tubular, este núcleogeneralmente se emplea para elevadores, escaleras, ductos e instalaciones.

ESTRUCTURACION


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1

1

Tipologías Estructurales: Naves Industriales

•• Una nave industrial (o un edificio en general) se concibe con elUna nave industrial (o un edificio en general) se concibe con el objetivo de cerrar objetivo de cerrar un espacio físico. El papel que juega la estructura es el de proun espacio físico. El papel que juega la estructura es el de proporcionar la porcionar la resistencia y la rigidez necesarias a los elementos del cerramieresistencia y la rigidez necesarias a los elementos del cerramiento.nto.

•• La estructura debe ser capaz de La estructura debe ser capaz de soportarsoportar y y transferirtransferir (a cimentación) las cargas (a cimentación) las cargas que recibe.que recibe.

•• El diseño estructural debe partir por tanto de la identificaciónEl diseño estructural debe partir por tanto de la identificación de las cargas, y a de las cargas, y a partir de ahí escoger aquella tipología estructural que sea capapartir de ahí escoger aquella tipología estructural que sea capaz de transferir z de transferir adecuadamente dichas cargas. En general la respuesta nunca será adecuadamente dichas cargas. En general la respuesta nunca será única, ni en lo única, ni en lo referente al tipo de estructura ni en lo referente a los materiareferente al tipo de estructura ni en lo referente a los materiales a emplear en su les a emplear en su construcción.construcción.

• Generalmente: planta rectangular (y en muchos casos, sólo planta baja)

• Se busca lograr estructuras de bajo coste y máxima sencillez

2

Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesIntroducción

estructuras muy regulares en planta:

“repetitivas” � facilidad de cálculo y

ejecución

Elementos estructurales que conforman la nave: ORGANIZACIÓN CONSTRUCTIVA

4 : 8 m

10 : 30 m

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2

3

Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesIntroducción

Tipología básica

•con muros de carga: naves de pequeñas dimensiones

•porticadas: naves de mayores dimensiones o si la nave se plantea con cerramientos ligeros en lugar de muros de carga

Nos vamos a centrar en edificios de una nave porticada con estructura metálica

También influyen en la organización de la nave otros factores ligados a su utilización:

• Necesidad de iluminación (natural): origen, e.g., de las naves en diente de sierra

• Presencia de maquinaria importante: requerirá, e.g., cimentación independiente

• Puentes grúa: en el cálculo de la nave se deberán considerar las fuerzas de funcionamiento y frenado de la viga puente

etc.

( (

4

Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesSolicitaciones

• Carga permanente

• Viento

• Nieve

• Sismo

• Temperatura: ±20ºC

• ( Puentes grúa )

se traduce en acciones:

FV : Fuerzas verticales

FL : Fuerzas longitudinales

FT : Fuerzas transversales

OBJETIVO: ESTRUCTURA ESTABLE FRENTE A OBJETIVO: ESTRUCTURA ESTABLE FRENTE A

CUALQUIER SOLICITACIÓN EXTERIORCUALQUIER SOLICITACIÓN EXTERIOR

deben ser absorbidas por los pórticos transversales

son resistidas en general por los pórticos transversales sin necesidad de arriostramientos adicionales (sólo en el caso de pórticos no estables frente a FThabría que disponer riostras que transmitieran la carga hasta los pórticos hastiales)

en general los pórticos hastiales no tienen rigidez suficiente frente a FLY hay que transmitir los esfuerzos a los pórticos laterales mediante vigas contraviento y/o arriostramientos en faldones de cubierta

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3

5

Solicitaciones

Puentes grúa

Sa~Pa/10

Ha~Pa/7

6

Correas

a

a

senpqq

wpwqq

xx

yy

***

*****

'

cos'

==

+=+=

ESTRUCTURACION


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4

7

Correas

Disposiciones constructivas para reducir la influencia de la flexión respecto al eje débil

8

Correas

ESTRUCTURACION


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5

Correas

Apoyo y continuidad de correas

10

Pórticos Transversales

• Los pórticos transversales deben absorber los empujes horizontales transversales y recibir las cargas que actúan sobre la cubierta

(cómo lograr la estabilidad frente a acciones verticales (FV) y acciones horizontales transversales (FT))

Tipología básica

• El dimensionado frente a acciones verticales

es inmediato

• Para lograr la estabilidad transversal existen

dos formas:

Con cerchas Con perfiles• naves más diáfanas pero de mayor peso (hasta un 20%)• es habitual disponer elementos de sección variable, ya

que las mayores solicitaciones suelen presentarse en los nudos extremos, no resultando económico mantener la sección constante en toda la barra (Además: las zonas reforzadas incrementan sus solicitaciones, disminuyendo en el resto)

1. Con ayuda de vigas de arriostramiento que transmitan las cargas a los pórticos hastiales

MECANISMO

hay que disponer vigas contraviento a todo lo largo de la nave hasta transmitir la carga a los pórticos hastiales, que deben dimensionarse para resistir y transmitir a cimentación los empujes horizontales(este sistema resulta especialmente antieconómico en caso de naves largas y, en general, resulta poco empleado)

( )

ESTRUCTURACION


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6

2.2. La estructura transmite directamente los empujes horizontales a La estructura transmite directamente los empujes horizontales a cimentación cimentación sin sin necesidad de vigas de necesidad de vigas de arriostramientoarriostramiento

e.g., disposiciones habituales para el caso de pórticos a dos age.g., disposiciones habituales para el caso de pórticos a dos aguas son:uas son:

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EMPOTRADOEMPOTRADO: este esquema reduce : este esquema reduce los momentos máximos en las los momentos máximos en las barras y proporciona mayor rigidez barras y proporciona mayor rigidez frente a acciones horizontales, pero frente a acciones horizontales, pero las cargas en cimentación son las cargas en cimentación son mayores y puede requerir sistemas mayores y puede requerir sistemas de anclaje relativamente complejos. de anclaje relativamente complejos. Es la disposición más desfavorable Es la disposición más desfavorable frente a frente a DDT por ser la más T por ser la más hiperestáticahiperestática

GHT=3GHT=3

12


BIARTICULADOBIARTICULADO: este esquema produce : este esquema produce menores cargas en cimentación, pero menores cargas en cimentación, pero mayores momentos máximos en las mayores momentos máximos en las barras que en el caso empotrado.barras que en el caso empotrado.

GHT=1GHT=1

TRIARTICULADOTRIARTICULADO ((isostáticoisostático): los ): los momentos máximos en las barras son momentos máximos en las barras son mayores que en el caso biarticulado. mayores que en el caso biarticulado. Los Los DDT no provocan esfuerzosT no provocan esfuerzos

GHT=0GHT=0

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7

13


Arriostramientos en ala inferior del dintel

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Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesPórticos Transversales

Pórticos con dintel de celosía

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8

15

Tipologías Estructurales: Naves Industriales

Pandeo transversal del cordón superior de la celosía


Arriostramiento transversal del cordón inferior

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Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesPórticos Transversales

Pilares

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9

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PilaresLongitudes de pandeo en pórticos de piezas de alma llena

Longitudes de pandeo en pórticos con dintel cercha

en el plano del pórtico b=1 en caso de unión rígida (pilar biempotrado desplazable)b=2 en caso de unión articulada

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Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesEntramados Frontales

•• Los pórticos hastiales reciben además cargas de viento normales Los pórticos hastiales reciben además cargas de viento normales a su plano (Fa su plano (FLL) que ) que transfieren a cimentación y a las vigas contraviento encargadas transfieren a cimentación y a las vigas contraviento encargadas de transmitir dichas cargas a de transmitir dichas cargas a los pórticos lateraleslos pórticos laterales

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10

19

Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesEntramados Frontales

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Tipologías Estructurales: Naves IndustrialesPórticos Laterales

•• Los paredes laterales deben absorber :Los paredes laterales deben absorber :

•• los empujes del viento sobre los muros hastialeslos empujes del viento sobre los muros hastiales

•• las fuerzas de frenado longitudinal de los puentes grúalas fuerzas de frenado longitudinal de los puentes grúa

(Para ello puede que baste con el propio cerramiento o con que l(Para ello puede que baste con el propio cerramiento o con que los pilares estos pilares estéén n empotrados en esta direcciempotrados en esta direccióón)n)

En caso contrario habrEn caso contrario habráá que disponer arriostramientos que lleven hasta cimentacique disponer arriostramientos que lleven hasta cimentacióón n dichas accionesdichas acciones

(cómo lograr la estabilidad frente a acciones horizontales longitudinales (FL))

ESTRUCTURACION


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Métodos de Análisis

El análisis estructural implica un conocimiento de las solicitaciones que obran sobrela estructura y de las dimensiones de sus elementos.

Estos datos son imprecisos cuando se inicia el diseño, ya que solo se conocen en forma aproximadalas dimensiones que tendrán los elementos.

Mediante un proceso cíclico el proyectista va ajustando los datos iniciales (dimensiones de loselementos) a medida que va precisando el análisis.

Solamente en la fase final de este proceso se hace un cálculo numérico relativamente refinado.

Resumiendo lo anterior, tenemos que la finalidad del análisis estructural es conocer los elementosmecánicos a que estarán sujetos los elementos de la estructura y el comportamiento que este presentarádebido a las solicitaciones.

Métodos de Análisis

Método de las Fuerzas Método de las flexibilidades

Método de las RigidecesMétodo de las Deformaciones Método de Cross

Método de Kani

Método del PortalMétodos Aproximados Método del Cantilever (Cargas Horizontales) Método de Bowman

Método del Factor

ESTRUCTURACION


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Análisis Estructural

Datos necesarios para resolver un problema típico de estructuras:

1. Geometría de la estructura: Se refiere a las dimensiones de los elementos y a las dimensiones entre ejes (esto

se obtiene de un prediseño).

2. Propiedades mecánicas de los materiales: Módulo de Elasticidad (E)

Ec = 10,000 √ f'c kg/cm2 - concreto Es = 2 X 106 kg/cm2 -acero

3. Solicitaciones: Se considera el peso propio de los elementos, Carga Viva, Sismo y Viento.

* Las incognitas son:

a). Desplazamientos en puntos críticos de la estructura.

b). Deformaciones en las barras

c). Esfuerzos internos en los elementos Generalmente, en lugar de esfuerzos se obtienen los elementos mecánicos:

ESTRUCTURACION


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Métodos de Diseño

1. Método de los esfuerzos de trabajo o esfuerzos Permisibles (Método Elástico)

Consiste en el proceso siguiente: Las acciones internas (carga axial, momentos, fuerzas cortantes ytorsiones) inducidas en los distintos elementos de las estructuras por las solicitaciones de servicio o de trabajoque actúan sobre estas, se calculan por medio de un análisis elástico.

Se determinan despues los esfuerzos producidos en las distintas secciones por las acciones internas,por métodos también basados en hipótesis elásticas.

Los esfuerzos de trabajo así calculados deben mantenerse por debajo de ciertos valores deesfuerzos permisibles que se consideran aceptables.

2. Método de Resistencia Ultima (Método Plástico)

Las acciones internas que las solicitaciones externas producen sobre las estructuras, se determinanpor medio de un análisis elástico, como en el caso anterior.

Los elementos de la estructura se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversasacciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sea igual a dichas acciones multiplicadas por un factorde carga de acuerdo con el grado de seguridad deseado.

ESTRUCTURACION


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Características de los materiales

CARACTERISTICAS DEL ACERO.

Comportamiento mecánico

Las características más importantes del acero se desprenden de las curvas esfuerzo(σ) deformación(ε) obtenidas mediante ensayos de Tensión estandarizados.

Es importante referir los ensayes a probetas y métodos estándar, puesto que los resultados difierensegún el tamaño y la forma de las muestras y los procedimientos de prueba.

Para obtener una gráfica σ−ε (nominal) se calculan los esfuerzos correspondientes a distintos nivelesde carga, dividiendo la fuerza aplicada (F) entre el área original de la sección(A):

σ = F / A

Las deformaciones unitarias se obtienen dividiendo el alargamiento (∆ L) entre la longitud originalde medición(L).

ε = ∆ L / L

Los aceros utilizados en la construcción se pueden dividir en 2 grupos:

1. Los que tienen un límite de fluencia definido (aceros laminados en caliente)2. Los que no tienen límite de fluencia definido (aceros trabajados en frío)

1 2

No exhiben zonasde fluenciahorizontal

ftfy

ε

( ESQUEMÁTICO )

ESTRUCTURACION


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El punto donde el acero cambia del estado elástico al estado plástico, esto es donde empieza a fluir el acero,se denomina: límite de fluencia (fy).

La resistencia al esfuerzo cortante (fv) es importante y puede considerarse que es del ordendel 75% de la resistencia a la tensión.

El módulo de elasticidad correspondiente a las porciones rectas en la zona elástica de lascurvas esfuerzos-deformación varía poco entre los diversos tipos de acero por lo que sepuede tomar como:

Es = 2 x 106 kg/cm2

La relación de Poisson ( µ ) es el cociente entre las deformaciones transversales a horizontales.(εt/εv), en el acero, este parámetro varía entre 0.25 y 0.33

El peso volumétrico del Acero se puede tomar como: 7.8 t/ m3

Ventajas del acero como elemento estructural

1. Bajo peso volumétrico2. Alta resistencia a la tensión y compresión3. Posibilidad de prefabricación de sección o perfiles.

Desventajas:

1. Costo2. Mantenimiento3. Baja resistencia a la corrosión.

Los aceros utilizados para la fabricación de varillas se utilizan tanto de acero laminado en calientecomo aceros trabajados en frío.

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1

234

A B C D E→ ε

↑f

CURVA ESFUERZO - DEFORMACIONDE UN ACERO LAMINADO EN CALIENTE

1.- ESFUERZO MAXIMO2.- LIMITE DE FLUENCIA SUPERIOR3.- LIMITE DE FLUENCIA INFERIOR4.- LIMITE DE PROPORCIONALIDAD

A.- RANGO ELASTICOB.- FLUJO PLASTICO RESTRINGIDOC.- FLUJO PLASTICO NO RESTRINGIDOD.- ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIONE.- ESTRANGULAMIENTO Y FRACTURA

ESTRUCTURACION


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Y este índice de resistencia del concreto se define como ( f ́ c )

σ = f ć = P / A kg / cm ²

15

cm

30 cm forma de falla

CARACTERISTICAS DEL CONCRETO

El concreto simple es el material que se obtiene al mezclar cemento portland - agregados petreos- agua en cantidades convenientes.

El concreto es uno de los materiales de construcción más usados en ingeniería civil y entre susprincipales ventajas se pueden señalar:

* Alta resistencia a la compresión* Durabilidad* Resistencia al intemperismo* Facilidad de fabricación

Desventajas:

* Alto peso volumétrico ( 2.2 T / m³ )* Baja resistencia a la tensión* Baja resistencia a los cambios volumétricos que sufre con el tiempo* Permeabilidad, aún el mejor concreto no es enteramente impermeable porque contiene

compuestos que pueden dejar pasar en mayor o menor grado el agua.

La calidad de un concreto se define como su resistencia a la compresión de un cilindro de 15 cmde diámetro por 30 cm de altura.

ESTRUCTURACION


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La resistencia a la tensión del concreto se obtiene mediante la prueba brasileña ó ensayebrasileño, que consiste en someter un cilindro a compresión lineal diametral.

←→ C

↑

↓

Los valores que se obtienen en ésta prueba son aprox. del 10 % de la resistencia a la compresión.

La resistencia al cortante del concreto, representa aprox. un 20 % del valor de la resistencia ala compresión.

Resumen:f ́ c (kg/cm²) Usos estructurales100 Firmes150 Dalas, cadenas200 Trabes, losas250 Columnas300,400 Concreto presforzado

Tensión : 0.10 f ́ c

Cortante : 0.20 f ́ c

Compresión : f ́ c ={

ESTRUCTURACION


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Módulo de elasticidad del concreto

Cargas de corta duración → no es válido usar módulo de elasticidad

El módulo de elasticidad es función de la resistencia del concreto y de su peso volumétrico.

ACI propone Ec = W 1.5 (4270) fć para valores de 1.4 < w < 2.5

Donde: w = peso volumétrico del concreto en t / m³fć = resistencia a la compresión en kg / cm²

RDF propone Ec = 10,000 fć

G = 0.40 Ec Módulo de elasticidad al esfuerzo cortante

µ = 0.12 - 0.20 Coeficiente de Poisson

√

√

↑

0.001 0.002 0.003 0.004 Ec = ∆ / L→

100

200

300

P / A = f ć

El concreto no es un materialelástico lineal

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