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“Año de la Consolidación del Mar de Grau”
Análisis de diafragmas, diafragmas rígidos y flexibles Teoría y ejemplos aplicativos
INTEGRANTES:
VICTOR HUGO INGA REATEGUI.
CARLOS ARTURO ANDREU SALAS.
JOEL JUAREZ FAUSTINO.
SILVERIO SEGUNDO BERNILLA DIAZ.
JOEL FERIA MARI. CURSO:
CONCRETO ARMADO 1
DOCENTE:
Ing. PAOLO MACETAS PORRAS.
DICIEMBRE-2016
Proyecto UPN
CONCRETO ARMADO I Revisión: A
ANALISIS DE DIAFRAGMAS, DIAFRAGMAS RIGIDOS Y
FLEXIBLES TEORIA Y EJEMPLOS APLICATIVOS
INFORME FINAL
Fecha: 10/12/2016
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1 OBJETIVO GENERAL
Identificar los diafragmas Rígidos y Flexibles.
2 TEORIA DE DIAFRAGMAS
2.1 DIAFRAGMA
Losa es un elemento de geometría tridimensional que recibe las cargas en un plano bidimensional, pero cuyas deformaciones ocurren en el eje de menor dimensión que es la dirección de las cargas, ósea que está cargada en el plano de menor inercia. La losa tiene mayor rigidez con respecto a los ejes de las dimensiones grandes y tiene menor rigidez con respecto al eje de deformación que es el de dimensión menor. Un Diafragma es un elemento tridimensional que recibe la solicitación en un “plano” uniaxial que es uno de los de mayor rigidez. Los diafragmas actúan distribuyendo las fuerzas laterales entre los elementos resistentes verticales. Un Diafragma, es un sistema estructural que amarra los muros de la estructura de manera que actúan como un conjunto. El entrepiso y la cubierta pueden considerarse como diafragmas cuando cumplan una serie de requisitos que garanticen su efectividad.
Figura 1 – DIAFRAGMA RIGIDO Y FLEXIBLE
El diafragma, debido a la rigidez que tiene en su propio plano, distribuye las fuerzas sísmicas entre los diferentes muros, haciendo que el muro trabaje únicamente en su dirección longitudinal. Para que un diafragma sea efectivo debe ser suficientemente rígido y resistente y además debe estar adecuadamente amarrado a los elementos verticales que resistan las fuerzas
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2.2 TIPOS DE DIAFRAGMAS
2.2.1 DIAFRAGMA RIGIDO
Es el que considera que solo se desplaza en dos direcciones que son las de sus dimensiones grandes. En el caso de diafragmas horizontales tiene una rotación sobre la otra dirección. Cuando el diafragma es vertical, como los muros, igualmente tiene dos desplazamientos, pero uno de ellos es en el eje de la dimensión menor. La rotación ocurre sobre uno de los ejes de la dimensión mayor, las cargas están en la dirección de una de las dos inercias mayores.
IMPLICACIONES ESTRUCTURALES
El Diafragma rígido y la losa o placa al desplazarse igual puede transmitir el desplazamiento a otros elementos como muros, los cuales lo harán todos a la vez y de igual forma.
Figura 2 – TRANSMISION DE DESPLAZAMIENTOS
En caso de Diafragma rígido, la fuerza de inercia del techo se distribuye en proporción directa con las rigideces de las paredes en la dirección de dicha fuerza. Ésta fuerza es resistida casi en su totalidad por las paredes longitudinales. Las paredes longitudinales funcionan como paredes de corte y las transversales como placas. La acción de placa de las paredes transversales es más favorable en los casos de Diafragma rígidos.
Figura 3 – DISTRIBUCION DE FUERZAS
Pared transversal
Pared longitudinal
Diafragma
Carga
de si
smo
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Para que la estructura sea rígida. El proyecto arquitectónico debe permitir ubicar muros de corte (de concreto armado o albañilería confinada, que limitan los desplazamientos laterales). Acerca de la rigidez: es importante proporcionar elementos que resistan fuerzas horizontales.
FALLAS RELACIONADAS CON LA HIPÓTESIS DE DIAFRAGMA RÍGIDO
Aberturas grandes en las losas de piso formas rectangulares muy alargadas, en este caso la hipótesis de diafragma rígido NO es válida.
Figura 4 – FORMAS DE LOSAS
2.2.2 DIAFRAGMA FLEXIBLE
El diafragma rígido es una lámina que no se deforma axialmente ni se flexiona ante cargas contenidas en su plano. Los techos metálicos o de madera no constituyen diafragmas rígidos y tampoco arriostran horizontalmente a los muros, en ellos es indispensable el empleo de vigas soleras que amarren a todos los muros, diseñadas para absorber las acciones sísmicas perpendiculares al plano de la albañilería (armada o confinada), donde sólo se permite diafragmas flexibles en el último nivel.
Figura 5 – ALBAÑILERIA CONFINADA
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Cuando la relación entre los lados del diafragma excede de 4, la losa puede flexionarse ante cargas contenidas en su plano, como si fuese una viga; con lo cual, se pierde la compatibilidad de desplazamientos laterales en los muros. En estos casos puede optarse por colocar juntas verticales, dividiendo al edificio en bloques, o analizar al edificio suponiendo que los diafragmas son flexibles, lo propio cuando el diafragma presente grandes aberturas.
Figura 6 – DEFORMACIÓN
Para el caso de losas aligeradas y macizas, el concreto de las soleras se vacía en conjunto con
el de la losa, esto provee monolitismo a la conexión albañilería-solera-losa. En este caso la
solera no trabaja ante cargas que provienen de la albañilería sujeta a carga sísmica ortogonal a
su plano, debido a que el diafragma rígido, integrado a la solera, impide su deformación por
flexión.
Figura 7 – LOSAS
Mediante ensayos de carga lateral cíclica en muros sujetos a carga vertical, ha podido
comprobarse que conforme la magnitud de la carga vertical se incrementa, la resistencia a
fuerza cortante también se incrementa, pero la ductilidad se reduce sustancialmente. Por ello
es necesario que los esfuerzos axiales producidos por la carga vertical en un muro no excedan
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de 0.15f´m. Una manera de reducir la magnitud de la carga vertical actuante en cada muro es
mediante el empleo de losas (aligeradas o macizas) armadas en 2 sentidos, las que distribuyen
las cargas provenientes del techo en los muros orientados en la dirección X e Y, mientras que
las losas aligeradas unidireccionales concentran estas cargas sobre los muros donde apoyan
las viguetas.
Figura 8 – DISTRIBUCION DE CARGAS
Las viguetas prefabricadas constituyen una alternativa de techado. Experimentalmente ha
podido comprobarse que este sistema funciona como diafragma rígido.
Figura 9 – VIGUETAS PREFABRICADAS
La cimentación debe constituir el primer diafragma rígido en la base de los muros y deberá
tener la rigidez necesaria para evitar que asentamientos diferenciales produzcan daños en los
muros.
Figura 10 – CIMENTACIÓN
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2.3 EJEMPLOS APLICATIVOS.
2.3.1 INFORMACION SOBRE MUROS DIAFRAGMAS EN LAS ESTACIONES SUBTERRANEAS DE LA LINEA 2 – METRO LIMA:
Normas técnicas de construcción garantizan seguridad de Línea 2 del Metro
La construcción de la Línea 2 del Metro de Lima, que recorrerá de manera subterránea desde
Ate hasta el Callao, respetará los estándares técnicos que garanticen la seguridad de los
usuarios, con un periodo de retorno de mil años y una resistencia frente a un sismo de 9
grados, manifestó el ministro de Transportes y Comunicaciones.
Por su parte, la presidenta ejecutiva del Organismo Regulador de la Infraestructura de
Transporte de Uso Público (Ositran), Patricia Benavente, informó que esta obra tendrá 35
kilómetros de extensión con 35 estaciones, cinco de las cuales corresponden al tramo 1-A.
Figura 11 – ESTACIONES LINEA 2
Figura 12 – ESTACIONES TRAMO 1-A
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Destacó que la Línea 2 del Metro de Lima ayudará a reducir de dos horas y media a 45 minutos
el tiempo que demanda trasladarse de Ate al Callao, uniendo a 13 distritos de la capital y
transportando a un millón 200,000 pasajeros al día.
Señaló que los muros pantalla (Muro Diafragma) que forman parte de la estructura de esta obra
serán levantados con un metro de grosor.
Aclaró sin embargo que el grosor de ese tipo de muros, por ejemplo en la zona de El Callao,
será mayor porque hay mayor presencia de agua, pero siempre siguiendo los máximos
estándares internacionales.
“Lo que se aplica al túnel es la norma prevista en el propio contrato, que es el Eurocódigo, que
es además la norma con la que se han construidos metros en otras ciudades sísmicas como
Santiago y Los Ángeles”, recalcó.
Dijo incluso que el estudio de riesgo sísmico de esta obra ha sido revisado y validado por el
presidente del Instituto Geofísico del Perú (IGP), Hernando Tavera, quien es un experto
reconocido en la materia.
Cabe recordar que uno de los cuestionamientos en la construcción de la Línea 2 se planteó
porque supuestamente se estaba reduciendo el ancho de las paredes de las estaciones
subterráneas, lo que generaba dudas sobre su seguridad.
Figura 13 – MODELO DE ESTACION
Figura 14 – METODO CONSTRUCTIVO
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Figura 15 – MURO PANTALLA
Figura 16 – AVANCES DE LOS POZOS DE VENTILACIÓN
CONCLUSIONES
La construcción de las obras de infraestructura vial subterránea con Muros-diafragma y/o
Muros-pilote, tal como se hizo en otros países, tienen las siguientes ventajas:
o Permiten la excavación de profundidades muchos mayores, sin desestabilizar al
terreno circundante y minimizan los asentamientos en las estructuras vecinas.
o Permiten la construcción del tablero de la superestructura, inmediatamente después de
la construcción de los muros, lo cual permite la rápida reapertura del tráfico, más aun,
sí los elementos del tablero son prefabricados.
o Se pueden convertir en un método constructivo más económico cuando se usa a la vez
como elementos de contención de tierras y de transmisor de cargas verticales al
subsuelo.
Se podría incentivar el uso de los métodos constructivos propuestos, si en las Licitaciones se
introdujera como factor de competencia, la mínima interrupción del tráfico durante la
construcción, tanto en espacio como en tiempo; y si además, se difundiera las ventajas ante los
ingenieros que formulan los Términos de Referencia de las obras públicas.
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La magnitud de las obras viales subterráneas que se están construyendo en Lima, fue
necesario una investigación geotécnica para determinar las propiedades geomecánicas de los
suelos más representativos.
2.3.2 VIGAS DIAFRAGMAS:
La viga diafragma es un elemento que a la superestructura una conectividad importante entre
las vigas principales, y hacen posible, que esta funcione como un conjunto. Es importante
señalar que las vigas diafragma proveen la resistencia necesaria a las fuerzas laterales y
excéntricas que actúan sobre la superestructura.
Aun así, las vigas diafragma pueden ser omitidas en el diseño, si es que el análisis estructural
muestra un adecuado comportamiento de los elementos principales sin ellas.
Suponemos que la viga diafragma es que capaz de deformarse como se muestra, a
consecuencia del posicionamiento de la sobre carga, por lo que el calculo de las areas de
acero requeridas en este caso han de satisfacer la condición para momento Máx. negativo (-).
Seccion transversal
´
Suponemos que la viga diafragma es capaz de deformarse como se muestra, a consecuencia
del posicionamiento de la sobrecarga, por lo que el cálculo de las áreas de acero requeridas en
este caso han de satisfacer la condición para Momento Máx. Positivo (+).
Seccion transversal
CASO PRÁCTICO DE ESTRUCTURACION DE UN PUENTE
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Figura 17 – ESTRUCTURA DE UN PUENTE
SUPERESTRUCTURA
La superestructura comprende todos los componentes que se encuentran por encima de
los elementos de soporte:
Superficie de rodamiento, sobre la cual circulan los vehículos. Puede ser de
asfalto o de concreto
Losa, cuya función principal es distribuir las cargas transversal y longitudinalmente en
toda la longitud del puente
Vigas. Las vigas son los miembros principales del puente y se diseñan para resistir el
trabajo a flexión.
TRABES
Las vigas son el elemento estructural más importante en el diseño de un puente. Deben
diseñarse para resistir solo las cargas verticales muertas y vivas. El dimensionamiento del
elemento debe basarse en su comportamiento ante cargas de servicio comparando los
esfuerzos permisibles contra los actuantes, tomando en cuenta las pérdidas. Una vez
definida la sección con el preesfuerzo correspondiente, se deberán verificar distintas
condiciones de servicio, como los esfuerzos en la trasferencia, encamisados y
deflexiones, así como revisar condiciones de resistencia como el momento último,
refuerzo de acero mínimo, máximo y cortante, entre otros.
Figura 18 – DETALLES DE TRABES
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LOSA
La losa de concreto armado que se coloca sobre los elementos presforzados para formar la
sección compuesta tiene un espesor de 15 a 20 cm dependiendo del elemento
estructural sobre el que descansa. Esta losa, además de aumentar la capacidad de la
sección, cumple la función de rigidizar a la superestructura y actuar como un diafragma,
repartiendo las cargas vivas uniformemente a todas las trabes, y horizontalmente evitar
movimientos relativos entre las vigas y cumplir la función de un diafragma rígido. El
espesor de la losa deberá incrementarse por concepto de desgaste el cual sufre durante su
vida útil. La losa debe estar perfectamente ligada a las trabes, por lo que éstas estarán
provistas de conectores y contarán con una superficie de contacto limpia, húmeda y rugosa.
Los conectores podrán ser los mismos estribos de la viga de manera que se doblen
en obra para formar la sección compuesta.
Figura 19 – DETALLES DE LOSAS
DIAFRAGMAS
Los diafragmas proporcionan rigidez lateral a las trabes y a la superestructura en
general. Estos consisten en trabes transversales a los elementos presforzados,
generalmente de concreto reforzado, que se ubican en los extremos del puente y en
puntos intermedios del mismo. Los diafragmas extremos unen a las vigas entre sí y con la
losa, y le dan una gran rigidez al puente. Los diafragmas intermedios tienen como función
primordial restringir el pandeo lateral de las vigas principales garantizando el trabajo en
conjunto y un adecuado funcionamiento a flexión. La cantidad y separación de diafragmas
intermedios estará en función de la rigidez lateral y la longitud del claro del puente. En
general, claros mayores a 10 m con vigas I ó T deberán llevar al menos un diafragma
intermedio, con espaciamientos de alrededor de 5 m entre ellos. Debido a su gran
rigidez lateral, las vigas presforzadas tipo cajón con aletas pueden prescindir de diafragmas, al
menos hasta claros de 30 m. Las vigas deberán contar con preparaciones adecuadas
como ductos para el paso de varillas o torones para postensar, varillas ahogadas en la
trabe que se desdoblan en obra, placas para soldar diafragmas metálicos, entre otros.
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Figura 20 – DIAFRAGMAS
Figura 21 – DIAFRAGMAS
JUNTAS
Proveer una transición suave entre los módulos del puente que forman la superficie de
rodamiento.
Evitar la filtración de agua y otras substancias químicas que oxidan y corroen los
elementos de la subestructura que están por debajo de la superficie de rodamiento.
Permiten el desplazamiento longitudinal de la estructura
Al igual que los apoyos, existen muchos tipos de juntas. Pueden ser de materiales
elastoméricos o ensambles de un mecanismo metálico integrado con otros materiales
plásticos.
Figura 22 – DETALLE DE JUNTAS
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SUBESTRUCTURA
La subestructura está formada por todos los elementos que requiere la superestructura
para Sustentarse, como son apoyos, columnas, pilas, estribos y cabezales . Su función es
la de transmitir eficientemente las cargas de la superestructura a la cimentación.
ESTRIBOS
Los estribos de puentes sirven para transmitir la carga desde la subestructura hasta la
cimentación y actúan como muros de contención para retener la tierra de relleno por detrás de
ellos. La construcción de los estribos puede resolverse mediante la utilización de elementos
prefabricados de sección doble T colocados verticalmente y diseñados para resistir tanto
el empuje horizontal de tierra, como las fuerzas sísmicas y las cargas verticales vivas y
muertas. En los terraplenes de acceso al puente o en los cortes que se realizan en las
inmediaciones del mismo, se colocan aleros en los costados de los estribos. Hay varias
alternativas a usar en función de la altura del muro de contención, del empuje de tierra y
sobrecarga a que vaya estar sometido. Para muros hasta de 6m, se pueden usar losas
extruidas con espesores hasta de 30 cm y para muros de mayor altura o con carga axial
fuerte se utilizan secciones doble T.
Figura 23 – DETALLE DE ESTRIBOS
PILARES Y COLUMNAS
Cuando un puente tiene más de un claro, los apoyos intermedios se pueden construir con
columnas huecas prefabricadas de concreto reforzado con o sin ménsulas para recibir a trabes
portantes sobre las que descansarán las trabes longitudinales. Estas columnas se empotrarán
en los candeleros de cimentación. Dependiendo de las características de la obra, las trabes
podrán formar un marco con las columnas para resistir tanto las cargas verticales totales como
las fuerzas horizontales debidas a sismo.
Figura 24 – DETALLE DE PILARES Y COLUMNAS
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APOYOS
Existen una gran variedad de apoyos, generalmente patentados, con distintas
características y utilidades. Las funciones de los apoyos, además de transferir las fuerzas de la
superestructura a la subestructura, son las de disipar y aislar los desplazamientos de
traslación y rotación debidos a expansión térmica, contracción por flujo plástico, deflexión
en miembros estructurales, cargas dinámicas y vibraciones, entre otros. Por su alta eficiencia
para disipar los movimientos de traslación y rotación, estos dispositivos están siendo adoptados
como una solución de aislamiento sísmico. Los apoyos de neopreno con placas de acero.
Estos apoyos se fabrican con materiales sintéticos con características de resistencia y
flexibilidad que le permiten combinar rigidez y amortiguamiento en el mismo elemento. Las
ventajas del neopreno respecto al hule natural son su mejor comportamiento a baja
temperatura, mayor resistencia a la acción del ozono y menor deterioro bajo
condiciones ambientales. Aunque hay apoyos de neopreno sencillos, sin placas metálicas
intercaladas, los más utilizados son los laminados conformados por varias placas de
neopreno y acero estructural (como refuerzo interno) que se intercalan y vulcanizan
entre sí. La inclusión del refuerzo incrementa el amortiguamiento histerético y permite
lograr una rigidez vertical alta, ya que las placas de acero disminuyen el efecto de
pandeo en las caras laterales del elastómero, con lo cual es posible apoyar cargas estáticas de
magnitud considerable con una deflexión mínima.
Figura 25 – DETALLE DE APOYOS
INFRAESTRUCTURA
La infraestructura se refiere a la cimentación, la cual puede ser superficial o profunda y
construida de pedestales de mampostería o de concreto; de pilotes de madera, acero,
mixtos; de cilindros de fricción, etc.
ZAPATAS
La cimentación de zapatas fue a cielo abierto colocada en la corona de las pilas coladas en el
lugar. Solo fue necesario realizar las excavaciones necesarias para descubrir el acero de las
pilas y hacer una plantilla de 10cm de espesor con una resistencia de F´c= 100 kg/cm2. Una
vez que terreno se preparó se procedió hacer el armado para lo que serían las zapatas,
coladas con concreto hidráulico de resistencia F´c= 350 kg/cm2.
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Figura 26 – DETALLE DE ZAPATAS
CRITERIOS DE CONSTRUCCION
Al respecto, la Norma E-070: Albañilería del Reglamento Nacional de Edificaciones dice lo
siguiente:
"Debe preferirse edificaciones con diafragma rígido y continuo, es decir, edificaciones en las
que las losas (…) actúen como elementos que integren a los muros portantes y compatibilicen
sus desplazamientos laterales".
Desafortunadamente en la autoconstrucción es práctica común construir losas que no cumplen
las características propias de un "diafragma rígido y resistente", tal como lo establece la norma,
lo que puede generar diversos problemas en la estructura.
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3 CONCLUSIONES
3.1 RIGIDO:
La losa pueda considerarse rígida en su plano para poder distribuir las fuerzas horizontales de
acuerdo a la rigidez lateral de los elementos verticales (placas y columnas)
Evitar grandes aberturas, reducciones en planta, formas alargadas en planta.
3.2 FLEXIBLE:
