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ESTRUCTURACION
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2. SISTEMASESTRUCTURALES
En la eleccin del sistema estructural son importantes el tipo y magnitud del esfuerzo a que estar
sometida la estructura, las caractersticas de las solicitaciones y la geometra de la estructura considerada
como un conjunto.
Las Estructuras se pueden construir de:
- Madera
- Mampostera
- Concreto
- Acero
- Combinaciones de estos materiales
Muros de Carga
La primera forma estructural empleada consista en un sistema de pisos ( losa y trabe) apoyados
sobre muros que transmitian la carga a la cimentacin y el suelo.
Originalmente los elementos horizontales de carga fueron de madera, hasta principios del siglo
pasado en que empezaron a utilizarse las vigas de acero para posteriormente utilizar el concreto reforzado.
Este sistema es an utilizado en edificios de habitacin de poca altura en los que los muros son
utilizados como muros de carga y adems dividen el interior del edificio.
Se supone que estos muros no se van a destruir posteriormente ya que forman parte integral de la
estructura; en este tipo de estructuracin los muros son de block o tabique, confinados por castillos y
cadenas, su espesor puede alcanzar valores prcticos mximos de 28 cm.
Al aumentar la altura de los edificios, el grosor de los muros de los niveles inferiores aumenta, lo queorigina una prdida de rea til cada vez ms grande. Por este motivo este sistema est limitado a edificacin
de poca altura.
Se tienen noticias de que en 1891 la construccin a base de muros de mampostera alcanz su
mximo desarrollo en Chicago con el edificio Monadnock de 17 pisos (64 m) de altura y con muros en planta
baja de 2.14 m de espesor.
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TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES
SISTEMA DE VIGAS Y COLUMNAS
SISTEMA DE LOSA PLANA
CON CAPITELES EN COLUMNAS
SISTEMA DE LOSA PLANA
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LOSARETICULAR
PLANA
COLUMNAS
MURO DECONCRETO
COLUMNA
MURODE
CONCRETO
TRABE
LOSA
MUROS DE CONCRETO,
COLUMNAS, Y LOSA PLANA
O RETICULAR
MUROS DE CONCRETO,
COLUMNAS, Y LOSAS
LOSADECONCRETO
MURODE
CARGA
LOSA
PLANA
COLUMNAS
LOSA PLANAO
RETICULAR
COLUMNAS
LOSA
TRABES
COLUMNAS
MUROS DE CARGA
Y LOSA
COLUMNAS Y
LOSA PLANA
COLUMNAS Y
LOSA RETICULAR
O PLANA
COLUMNAS
TRABES Y LOSA
TIPOS DE ESTRUCTURAS
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HAGASE EVITESE COMENTARIOS
Asimetra de los miembros
resistentes del cortante horizontal.
Problemas de anlisis y torsin.
Torres de acceso que se proyectan.Problemas con anlisis y detalle
Mal, por efectos asimtricos
Tngase cuidado delcomportamiento diferencial en losextremos opuestos de edificioslargos.
Buena simetra, anlisis menosfcil.
Ideal por comportamiento y anlisis.
Aunque simtricas, las alas largasimplican problemas en la prediccindel comportamiento.
REGLAS DE DISTRIBUCION EN PLANTA
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REGLAS PARA FORMAS EN ALZADOS
HAGASE EVITESE COMENTARIOS
Los efectos de remetimiento defachadas no pueden predecirsemediante los anlisis estticosequivalentes comunes de losreglamentos.
b
h < 4b
b
h > 4b
REGLAS PARA MARCOS VERTICALES
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 anlisis 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 ms reciente para edificios altos es el tipo de Tubo, que consiste en un arreglo perimetralde columnas exteriores colocadas muy cerca entre s e interconectadas con vigas, lo que proporciona una
enorme rigidez a los edificios muy altos. Este sistema evolucion el sistema denominado Tubo con Tubo, se
trata de un ncleo rgido en la parte central del edificio dentro de la estructura tubular, este ncleo
generalmente se emplea para elevadores, escaleras, ductos e instalaciones.
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Tipologas 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 cerrarobjetivo de cerrar
un espacio fsico. El papel que juega la estructura es el de proun espacio fsico. El papel que juega la estructura es el de proporcionar laporcionar 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 deLa estructura debe ser capaz de soportarsoportaryy transferirtransferir(a cimentacin) las cargas(a cimentacin) las cargas
que recibe.que recibe.
El diseo estructural debe partir por tanto de la identificacinEl diseo estructural debe partir por tanto de la identificacin de las cargas, y ade las cargas, y a
partir de ah escoger aquella tipologa estructural que sea capapartir de ah escoger aquella tipologa estructural que sea capaz de transferirz de transferir
adecuadamente dichas cargas. En general la respuesta nunca seradecuadamente dichas cargas. En general la respuesta nunca ser nica, ni en lonica, 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 materia les a emplear en sules a emplear en su
construccin.construccin.
Generalmente: planta rectangular (y en muchos casos, slo plantabaja)
Se busca lograr estructuras de bajo coste y mxima sencillez
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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesIntroduccin
estructuras muy regulares en planta:
repetitivas facilidad de clculo y
ejecucin
Elementos estructurales que conforman la nave: ORGANIZACIN CONSTRUCTIVA
4:8m
10:30m
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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesIntroduccin
Tipologa bsica
con muros de carga: naves de pequeas dimensiones
porticadas: naves de mayores dimensiones o si la nave se plantea concerramientos ligeros en lugar de muros de carga
Nos vamos a centrar en edificios de una nave porticada con estructura metlica
Tambin influyen en la organizacin de la nave otros factores ligados a su
utilizacin: Necesidad de iluminacin (natural): origen, e.g., de las naves en diente
de sierra
Presencia de maquinaria importante: requerir, e.g., cimentacinindependiente
Puentes gra: en el clculo de la nave se debern considerar las fuerzasde funcionamiento y frenado de la viga puente
etc.
( (
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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesSolicitaciones
Carga permanente
Viento
Nieve
Sismo
Temperatura: 20C
( Puentes gra )
se traduce en acciones:
FV: Fuerzas verticales
FL : Fuerzas longitudinales
FT: Fuerzas transversales
OBJETIVO: ESTRUCTURA ESTABLE FRENTE AOBJETIVO: ESTRUCTURA ESTABLE FRENTE A
CUALQUIER SOLICITACIN EXTERIORCUALQUIER SOLICITACIN EXTERIOR
deben ser absorbidas
por los prticostransversales
son resistidas en general por los prticos
transversales sin necesidad dearriostramientos adicionales (slo en el
caso de prticos no estables frente a FThabra que disponer riostras que
transmitieran la carga hasta los prticoshastiales)
en general los prticos hastiales no tienen rigidez suficiente frente a F LY hay que transmitir los esfuerzos a los prticos laterales mediante
vigas contraviento y/o arriostramientos en faldones de cubierta
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Solicitaciones
Puentes gra
Sa~Pa/10
Ha~Pa/7
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Correas
senpqq
wpwqq
xx
yy
***
*****
'
cos'
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Correas
Disposiciones constructivas para reducir la influencia de la flexin respecto al eje dbil
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Correas
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Correas
Apoyo y continuidad de correas
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Prticos Transversales
Los prticos transversales deben absorber los empujes horizontales transversales y recibirlas cargas que actan sobre la cubierta
(cmo lograr la estabilidad frente a acciones verticales (FV) y acciones horizontales transversales (FT))
Tipologa bsica
El dimensionado frente a acciones verticales
es inmediato
Para lograr la estabilidad transversal existen
dos formas:
Con cerchas Con perfiles
naves ms difanas pero de mayor peso (hasta un 20%)
es habitual disponer elementos de seccin variable, ya
que las mayores solicitaciones suelen presentarse en
los nudos extremos, no resultando econmico
mantener la seccin constante en toda la barra
(Adems: las zonas reforzadas incrementan sus
solicitaciones, disminuyendo en el resto)
1. Con ayuda de vigas de arriostramiento que transmitan las cargas a los prticos hastiales
MECANISMO
hay que disponer vigas contraviento a todo lo largo de la nave hasta
transmitir la carga a los prticos hastiales, que deben dimensionarse
para resistir y transmitir a cimentacin los empujes horizontales
(este sistema resulta especialmente antieconmico en caso de naves
largas y, en general, resulta poco empleado)( )
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2.2. La estructura transmite directamente los empujes horizontales aLa estructura transmite directamente los empujes horizontales a cimentacincimentacinsinsin necesidad de vigas denecesidad de vigas de arriostramientoarriostramiento
e.g., disposiciones habituales para el caso de prticos a dos age.g., disposiciones habituales para el caso de prticos a dos aguas son:uas son:
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Prticos Transversales
EMPOTRADOEMPOTRADO: este esquema reduce: este esquema reduce
los momentos mximos en laslos momentos mximos en lasbarras y proporciona mayor rigidezbarras y proporciona mayor rigidez
frente a acciones horizontales, perofrente a acciones horizontales, pero
las cargas en cimentacin sonlas cargas en cimentacin son
mayores y puede requerir sistemasmayores y puede requerir sistemas
de anclaje relativamente complejos.de anclaje relativamente complejos.
Es la disposicin ms desfavorableEs la disposicin ms desfavorable
frente afrente a T por ser la msT por ser la ms
hiperestticahiperesttica
GHT=3GHT=3
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Prticos Transversales
BIARTICULADOBIARTICULADO: este esquema produce: este esquema produce
menores cargas en cimentacin, peromenores cargas en cimentacin, pero
mayores momentos mximos en lasmayores momentos mximos en las
barras que en el caso empotrado.barras que en el caso empotrado.
GHT=1GHT=1
TRIARTICULADOTRIARTICULADO ((isostticoisosttico): los): los
momentos mximos en las barras sonmomentos mximos en las barras son
mayores que en el caso biarticulado.mayores que en el caso biarticulado.
LosLos T no provocan esfuerzosT no provocan esfuerzos
GHT=0GHT=0
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Tipologas Estructurales: Naves Industriales
Pandeo transversal del cordn superior de la celosa
Prticos Transversales
Arriostramiento transversal del cordn inferior
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Tipologas Estructurales: Naves Industriales
Prticos Transversales
Pilares
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Prticos Transversales
PilaresLongitudes de pandeo en prticos de piezas de alma llena
Longitudes de pandeo en prticos con dintel cercha
en el plano del prtico =1 en caso de unin rgida (pilar biempotrado desplazable)
=2 en caso de unin articulada
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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesEntramados Frontales
Los prticos hastiales reciben adems cargas de viento normalesLos prticos hastiales reciben adems cargas de viento normales a su plano (Fa su plano (FLL) que) que
transfieren a cimentacin y a l as vigas contraviento encargadastransfieren a cimentacin y a las vigas contraviento encargadas de transmitir dichas cargas ade transmitir dichas cargas a
los prticos lateraleslos prticos laterales
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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesEntramados Frontales
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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesPrticos Laterales
Los paredes laterales deben absorber :Los paredes laterales deben absorber :
los empujes del viento sobre los muros hast ialeslos empujes del viento sobre los muros hastiales
las fuerzas de frenado longitudinal de los puentes gralas fuerzas de frenado longitudinal de los puentes gra
(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 estnn
empotrados en esta direcciempotrados en esta direccin)n)
En caso contrario habrEn caso contrario habr que disponer arriostramientos que lleven hasta cimentacique disponer arriostramientos que lleven hasta cimentacinn
dichas accionesdichas acciones
(cmo lograr la estabilidad frente a acciones horizontales longitudinales (FL))
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Mtodos de Anlisis
El anlisis 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 diseo, ya que solo se conocen en forma aproximada
las dimensiones que tendrn los elementos.
Mediante un proceso cclico el proyectista va ajustando los datos iniciales (dimensiones de los
elementos) a medida que va precisando el anlisis.
Solamente en la fase final de este proceso se hace un clculo numrico relativamente refinado.
Resumiendo lo anterior, tenemos que la finalidad del anlisis estructural es conocer los elementos
mecnicos a que estarn sujetos los elementos de la estructura y el comportamiento que este presentar
debido a las solicitaciones.
Mtodos de Anlisis
Mtodo de las Fuerzas Mtodo de las flexibilidades
Mtodo de las Rigideces
Mtodo de las Deformaciones Mtodo de Cross
Mtodo de Kani
Mtodo del Portal
Mtodos Aproximados Mtodo del Cantilever
(Cargas Horizontales) Mtodo de Bowman
Mtodo del Factor
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Anlisis Estructural
Datos necesarios para resolver un problema tpico de estructuras:
1. Geometra de la estructura:
Se refiere a las dimensiones de los elementos y a las dimensiones entre ejes (esto
se obtiene de un prediseo).
2. Propiedades mecnicas de los materiales:Mdulo 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 crticos de la estructura.
b). Deformaciones en las barras
c). Esfuerzos internos en los elementosGeneralmente, en lugar de esfuerzos se obtienen los elementos mecnicos:
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Mtodos de Diseo
1. Mtodo de los esfuerzos de trabajo o esfuerzos Permisibles (Mtodo Elstico)
Consiste en el proceso siguiente: Las acciones internas (carga axial, momentos, fuerzas cortantes y
torsiones) inducidas en los distintos elementos de las estructuras por las solicitaciones de servicio o de trabajo
que actan sobre estas, se calculan por medio de un anlisis elstico.
Se determinan despues los esfuerzos producidos en las distintas secciones por las acciones internas,
por mtodos tambin basados en hiptesis elsticas.
Los esfuerzos de trabajo as calculados deben mantenerse por debajo de ciertos valores de
esfuerzos permisibles que se consideran aceptables.
2. Mtodo de Resistencia Ultima (Mtodo Plstico)
Las acciones internas que las solicitaciones externas producen sobre las estructuras, se determinan
por medio de un anlisis elstico, como en el caso anterior.
Los elementos de la estructura se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas
acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sea igual a dichas acciones multiplicadas por un factor
de carga de acuerdo con el grado de seguridad deseado.
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Caractersticas de los materiales
CARACTERISTICAS DEL ACERO.
Comportamiento mecnico
Las caractersticas ms importantes del acero se desprenden de las curvas esfuerzo() deformacin
() obtenidas mediante ensayos de Tensin estandarizados.
Es importante referir los ensayes a probetas y mtodos estndar, puesto que los resultados difieren
segn el tamao y la forma de las muestras y los procedimientos de prueba.
Para obtener una grfica(nominal) se calculan los esfuerzos correspondientes a distintos niveles
de carga, dividiendo la fuerza aplicada (F) entre el rea original de la seccin(A):
= F / A
Las deformaciones unitarias se obtienen dividiendo el alargamiento (L) entre la longitud original
de medicin(L).
= L / L
Los aceros utilizados en la construccin se pueden dividir en 2 grupos:
1. Los que tienen un lmite de fluencia definido (aceros laminados en caliente)
2. Los que no tienen lmite de fluencia definido (aceros trabajados en fro)
1 2
No exhiben zonasde fluenciahorizontal
ftfy
( ESQUEMTICO )
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El punto donde el acero cambia del estado elstico al estado plstico, esto es donde empieza a fluir el acero,
se denomina: lmite de fluencia (fy).
La resistencia al esfuerzo cortante (fv) es importante y puede considerarse que es del orden
del 75% de la resistencia a la tensin.
El mdulo de elasticidad correspondiente a las porciones rectas en la zona elstica de las
curvas esfuerzos-deformacin vara poco entre los diversos tipos de acero por lo que se
puede tomar como:
Es = 2 x 106
kg/cm2
La relacin de Poisson ( ) es el cociente entre las deformaciones transversales a horizontales.
(t/v), en el acero, este parmetro vara entre 0.25 y 0.33
El peso volumtrico del Acero se puede tomar como: 7.8 t/ m 3
Ventajas del acero como elemento estructural
1. Bajo peso volumtrico2. Alta resistencia a la tensin y compresin
3. Posibilidad de prefabricacin de seccin o perfiles.
Desventajas:
1. Costo
2. Mantenimiento3. Baja resistencia a la corrosin.
Los aceros utilizados para la fabricacin de varillas se utilizan tanto de acero laminado en caliente
como aceros trabajados en fro.
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Y este ndice de resistencia del concreto se define como ( f c )
= f c = P / A kg / cm
15
cm
30 cmforma 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 construccin ms usados en ingeniera civil y entre sus
principales ventajas se pueden sealar:
* Alta resistencia a la compresin
* Durabilidad
* Resistencia al intemperismo* Facilidad de fabricacin
Desventajas:
* Alto peso volumtrico ( 2.2 T / m )
* Baja resistencia a la tensin
* Baja resistencia a los cambios volumtricos que sufre con el tiempo
* Permeabilidad, an 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 compresin de un cilindro de 15 cm
de dimetro por 30 cm de altura.
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Laresistencia a la tensin del concreto se obtiene mediante la prueba brasilea ensaye
brasileo, que consiste en someter un cilindro a compresin lineal diametral.
C
Los valores que se obtienen en sta prueba son aprox. del 10 % de la resistencia a la compresin.
Laresistencia al cortantedel concreto, representa aprox. un 20 % del valor de la resistencia a
la compresin.
Resumen:
f c (kg/cm) Usos estructurales
100 Firmes
150 Dalas, cadenas
200 Trabes, losas
250 Columnas
300,400 Concreto presforzado
Tensin : 0.10 f c
Cortante : 0.20 f c
Compresin : f c ={
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Mdulo de elasticidad del concreto
Cargas de corta duracin no es vlido usar mdulo de elasticidad
El mdulo de elasticidad es funcin de la resistencia del concreto y de su peso volumtrico.
ACI propone Ec = W 1.5 (4270) fc para valores de 1.4 < w < 2.5
Donde: w = peso volumtrico del concreto en t / m
fc = resistencia a la compresin en kg / cm
RDF propone Ec = 10,000 fc
G = 0.40 Ec Mdulo de elasticidad al esfuerzo cortante
= 0.12 - 0.20 Coeficiente de Poisson
0.001 0.002 0.003 0.004 Ec = / L
100
200
300
P / A = f c
El concreto no es un material
elstico lineal