1.3 TIPOS DE CONSTRUCCIONES (DE ACERO)

CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LA MONTANA

INGENIERÍA CIVIL ASIGNATURA : CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO TEMA

: 1.3 TIPOS DE CONSTRUCCIONES

INSTRUCTOR

: ING. VICENTE VÁZQUEZ ACEVEDO

ALUMNOS

: ESTEFANÍA TENORIO BELTRÁN WUILLIAM LOPEZ ORTIZ JAIME BASURTO MILLÁN EMMANUEL CASTRO GARCÍA

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CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO

CONTENIDO TIPOS DE CONSTRUCCIÓN .................................................................................... 1 Estructura apoyada en muros de carga .................................................................. 1 Construcción reticular ............................................................................................. 3 Estructuras de acero de claros grandes ................................................................. 4 Estructuras combinadas de acero y concreto ......................................................... 5 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO ...................................................................................................................... 5 Suministro de estructuras de acero ........................................................................ 5 Diseño económico de miembros de acero.............................................................. 7 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 9

CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO

TIPOS DE CONSTRUCCIÓN Las estructuras de acero para edificios se clasifican de acuerdo con su tipo de construcción en uno de los cuatro grupos siguientes: apoyada en muros de carga, reticular, estructuras para grandes claros y combinada de acero y concreto. En un mismo edificio pueden utilizarse más de uno de estos tipos de construcción.

Estructura apoyada en muros de carga La construcción a base de muros de carga es el tipo más común de construcciones comerciales ligeras de una planta. Los extremos de las vigas, viguetas o armaduras ligeras se apoyan sobre los muros, que a su vez transmiten las cargas a los cimientos. La práctica antigua engrosaba los muros al aumentar la altura de los edificios. Por ejemplo, el muro en el piso superior de un edificio podría ser de uno o dos ladrillos de espesor, en tanto que los muros inferiores podrían incrementarse en su espesor a razón de un ladrillo por piso. Se pensaba que este tipo de construcción tenía un límite comercial de 2 o 3 pisos. Se han llevado a cabo un gran número de investigaciones en las décadas recientes relativas a la construcción con muros de carga y se ha descubierto que los muros de carga delgados pueden ser bastante económicos en edificios de hasta 10 o 20 niveles o aún mayores. El ingeniero medio no es persona muy conocedora del tipo de construcción con muros de carga y a menudo desea que se estructure a base de marcos de acero o de concreto, ahí en donde la construcción de muros de carga puede ser la solución económica y satisfactoria. La construcción de muros de carga no es muy resistente a cargas sísmicas y tiene desventajas de montaje para edificios de más de un piso; en tales casos es necesario colocar los miembros estructurales de acero piso por piso, y alternar el trabajo de albañiles y montadores. Debido a que la resistencia de los muros al aplastamiento es relativamente baja, con frecuencia se necesitan placas de apoyo en los extremos de las vigas o armaduras ligeras que descansan en los muros de mampostería. Aunque teóricamente los patines de la viga ofrecen en muchas ocasiones apoyo suficiente sin necesidad de placas de carga, a menudo se utilizan las placas de apoyo, en particular donde los miembros son de tamaño y peso tales, que debe colocarlos un montador de estructuras de acero.

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Generalmente las placas se embarcan sueltas, y las colocan en los muros los albañiles. La colocación en posición y elevación correctas es una parte muy crítica de la construcción. Si no se colocan apropiadamente habrá cierta demora para corregir su posición. Si se utiliza un montador, tendrá que hacer un viaje extra al lugar de la obra. Cuando los extremos de una viga se empotran en un muro de mampostería, es conveniente algún tipo de ancla para evitar que la viga se mueva longitudinalmente con respecto al muro. Las anclas comunes son barras de acero dobladas que pasan a través de las almas de las vigas. Se llaman anclas de pared y se muestran en la figura 1 a). Ocasionalmente se usan ángulos de sujeción añadidos al alma, en lugar de las anclas de pared. Estos se muestran en la parte b) de la misma figura. Si se previeran cargas longitudinales de magnitud considerable, pueden utilizarse pernos normales de anclaje vertical en los extremos de la viga.

Figura 1. a) Ancla de pared formada por una barra doblada en V. b) Anclas de pared a base de ángulos.

Para construcciones pequeñas, ya sean comerciales o industriales y cuando los claros no son mayores de 10.5 o 12 mts., la construcción con muros de carga es bastante económica. Si los claros son más grandes, se hacen necesarios muros más gruesos y utilizar castillos para asegurar la estabilidad. En estos casos, y de ser posible, suele ser más económico usar columnas intermedias.

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Construcción reticular En la construcción reticular las cargas se transmiten a los cimientos mediante una retícula de vigas y columnas de acero. Las losas de piso, divisiones, muros exteriores, etc., descansan en su totalidad sobre la retícula. A este tipo de estructura que puede montarse a grandes alturas, a menudo se le llama construcción de vigas y columnas. En la construcción de vigas y columnas, la estructura consta usualmente de columnas espaciadas a 6, 7.5 o 9 mts., y de trabes principales y vigas secundarias conectadas entre sí, y a las columnas en ambas direcciones, en cada nivel de piso. Un método muy común de arreglo de estos elementos, se muestra en la figura 2. Las trabes se colocan entre las columnas en la dirección de su espaciamiento mayor, en tanto que las vigas secundarias se conectan a las columnas o trabes en la dirección de menor espaciamiento entre columnas. Con diversos sistemas de piso, pueden utilizarse otros arreglos de vigas y trabes.

Figura 2. Construcción con vigas y columnas

En la construcción reticular, las paredes descansan sobre la estructura de acero y generalmente se les menciona como muros de relleno o muros ciegos. Las vigas que soportan las paredes exteriores se llaman vigas de fachada. Estas vigas, que se ilustran en la figura 3, pueden colocarse de manera que sirvan de dinteles para las ventanas

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Figura 3. Vigas de fachada

Estructuras de acero de claros grandes Cuando se hace necesario el uso de claros muy grandes entre las columnas, como en tribunas, auditorios, teatros, hangares o salas de baile, la construcción usual reticular puede no ser suficiente. Si las secciones laminadas IR ordinarias fueran insuficientes, podría ser necesario usar vigas con cubreplacas, trabes armadas, vigas de caja, armaduras grandes, arcos, marcos rígidos y otras semejantes. Cuando el peralte está limitado, las vigas con cubreplacas, las trabes armadas o las de caja pueden realizar el trabajo. Si el peralte no fuera crítico, las armaduras serían satisfactorias. Para claros muy grandes, a menudo se usan los arcos y los marcos rígidos. A estos tipos de estructuras se les llama estructuras de gran claro. La figura 4 muestra algunos de estos tipo.

Figura 4. Estructuras para grandes claros

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Estructuras combinadas de acero y concreto En un gran porcentaje de construcciones actuales, se ha utilizado la combinación de concreto reforzado y acero estructural. Si se utilizaran columnas de concreto reforzado en edificios muy altos, tendrían que ser extremadamente gruesas en los pisos bajos y ocuparían demasiado espacio. Generalmente se usan columnas de acero embebidas y ligadas a concreto reforzado y se conocen como columnas compuestas.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO Suministro de estructuras de acero El suministro de estructuras de acero consiste en el laminado de los perfiles, la fabricación de los elementos para un trabajo específico (incluido el corte a las dimensiones requeridas y el punzonado de los agujeros necesarios para las conexiones de campo) y el montaje de éstos. Muy rara vez una compañía ejecuta esas tres funciones y la compañía promedio realiza sólo una o dos de ellas. Por ejemplo, muchas compañías fabrican estructuras de acero y las montan, en tanto que otras sólo las montan o sólo las fabrican. Los fabricantes de estructuras normalmente tienen pocos perfiles en bodega debido a los altos intereses y costos de almacenaje. Cuando deben fabricar una estructura, ordenan los perfiles cortados a determinadas longitudes directamente a las laminadoras o a los distribuidores de éstas. Las distribuidoras, que son un factor cada vez más importante en el suministro del acero estructural, compran y almacenan grandes cantidades de perfiles que adquieren a los mejores precios posibles en cualquier parte del mundo. El diseño de las estructuras generalmente lo hace un ingeniero en colaboración con una empresa de arquitectos. El proyectista hace los dibujos del diseño que muestran las cotas de los miembros estructurales, las dimensiones generales así como conexiones fuera de lo común. La compañía encargada de fabricar la estructura elabora los planos detallados y los somete a la aprobación del ingeniero. 5

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Esos planos contienen toda la información necesaria para fabricar la estructura correctamente. En ellos se muestran las dimensiones de cada miembro, las localizaciones y tamaños de agujeros, las posiciones y tamaños de las conexiones, etc. Una parte de un dibujo para un detalle típico de una viga de acero atornillada se muestra en la figura 5.

Figura 5. Parte de un dibujo de detalles

El montaje de edificios es más que en cualquier otro aspecto del trabajo de construcción, un asunto de ensamblaje. Cada elemento se marca en taller con letras y números para distinguirlo de los demás. El montaje se ejecuta de acuerdo con una serie de planos de montaje. Esos planos no son dibujos detallados sino simples diagramas que muestran la posición de cada elemento en la estructura. En el extremo izquierdo de cada elemento se pone una marca que corresponde a su identificación en el plano de detalle. Generalmente se pintan indicaciones respecto a la dirección en las caras de las columnas (norte, sur, este y oeste). Estas marcas facilitan a los montadores orientar correctamente las piezas. Algunas veces los planos de montaje dan las dimensiones de los miembros, pero esto no es necesario. Esto puede o no mostrarse, dependiendo del fabricante particular. Las vigas, trabes y columnas serán indicadas en los planos por las letras B, G o C seguidas por el número de miembro particular como B5, G12, etc. A menudo, habrá varios miembros con esas mismas designaciones cuando los miembros se repiten en el edificio.

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Los marcos de acero de múltiples pisos suelen tener varios niveles con sistemas de estructuración idénticos o casi idénticos. De esta manera, un plano de montaje puede usarse para varios pisos. Para tales situaciones, las designaciones de los miembros de las columnas, vigas y trabes tendrán los números de nivel incorporados en ellos. Por ejemplo, la columna C15 (3-5) es la columna 15, tercero a quinto piso, mientras que B4F6 o meramente B4 (6), representa la viga B4 para el sexto piso. En la figura 6 se muestra una porción de un dibujo de montaje de un edificio.

Figura 6. Parte de un dibujo de montaje que muestra donde debe localizarse cada miembro

Diseño económico de miembros de acero El diseño de un miembro estructural de acero implica mucho más que el cálculo de las propiedades requeridas para resistir las cargas y la selección del perfil más ligero que tenga tales propiedades. Aunque a primera vista este procedimiento parece que presenta los diseños más económicos, deben considerarse otros factores. Algunos de estos son los siguientes: 1. El proyectista necesita seleccionar las dimensiones en que se fabrican los perfiles laminados. Vigas, placas y barras de tamaños poco comunes serán difíciles de conseguir en periodos de mucha actividad constructiva y resultarán costosos en cualquier época. Un poco de estudio le permitirá al proyectista aprender a evitar tales perfiles. Los fabricantes de acero reciben constantemente información de las empresas constructoras acerca de las dimensiones de perfiles disponibles. 7

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2. En ciertos casos, puede ser un error suponer que el perfil más ligero es el más barato. Una estructura diseñada según el criterio de la "sección más ligera" consistirá en un gran número de perfiles de formas y tamaños diferentes. Tratar de conectar y adaptar todos esos perfiles será bastante complicado y el costo del acero empleado probablemente será muy alto. Un procedimiento más razonable sería unificar el mayor número posible de perfiles en cuanto al tamaño y forma aunque algunos sean de mayor tamaño. 3. Las vigas escogidas para los pisos de edificios son las de mayor peralte, ya que esas secciones, para un mismo peso, tienen los mayores momentos de inercia y de resistencia. Conforme aumenta la altura de los edificios, resulta económico modificar este criterio; consideremos, por ejemplo, un inmueble de 20 pisos debe tener una altura libre mínima. Si los peraltes de las vigas de los pisos se reducen 15 cm., las vigas costarán más, pero la altura del edificio se reducirá 20 x 15 = 300 cm., con el consiguiente ahorro en muros, pozos de elevadores, alturas de columnas, plomería, cableado y cimentaciones. 4. Los costos de montaje y fabricación de vigas de acero estructural son aproximadamente los mismos para miembros ligeros o pesados. Las vigas deben entonces espaciarse tanto como sea posible para reducir el número de miembros que tengan que fabricarse y montarse. 5. Los miembros de acero estructural deben pintarse sólo si lo requiere la especificación aplicable. El acero no debe pintarse si va a estar en contacto con concreto. Además, los diversos materiales resistentes al fuego usados para proteger a los miembros de acero se adhieren mejor si las superficies no están pintadas. 6. Es muy conveniente utilizar la misma sección el mayor número de veces posible. Tal manera de proceder reducirá los costos de detallado; fabricación y montaje. 7. Para secciones grandes, particularmente las compuestas, el diseñador necesita tener información relativa a los problemas de transporte. Esta información incluye las máximas longitudes y alturas que pueden enviarse por camión o ferrocarril, los claros libres bajo puentes y líneas de transmisión que se encuentren en el camino

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a la obra, así como las cargas permisibles sobre los puentes que deban cruzarse. Es posible fabricar una armadura de acero para techo en una sola pieza, pero tal vez no sea posible transportarla a la obra y montarla en una sola pieza. 8. Deben escogerse secciones que sean fáciles de montar y mantener. Por ejemplo, los elementos estructurales de un puente deben tener sus superficies expuestas, dispuestas de manera que puedan pintarse periódicamente (a menos que se utilice un acero especial resistente a la corrosión). 9. Los edificios tienen con frecuencia una gran cantidad de tuberías, conductos, etcétera, por lo que deben escogerse elementos estructurales que sean compatibles con los requisitos de forma y tamaño impuestos por tales instalaciones. 10. Los miembros de una estructura de acero, a veces están expuestos al público, sobre todo en el caso de los puentes de acero y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura, como en el caso de los puentes. Los miembros expuestos pueden ser muy estéticos cuando se disponen de manera sencilla y tal vez cuando se escogen elementos con líneas curvas; sin embargo, ciertos arreglos pueden ser sumamente desagradables a la vista. Es un hecho que algunas estructuras de acero, bellas en apariencia, tienen un costo muy razonable.

BIBLIOGRAFÍA  Diseño de Estructuras de Acero. Mc. Cormac Ed. Alfa Omega  Estructuras de Acero Compartimiento y Diseño Oscar de Buen y López de Heredia Ed. Limusa  Manual de Construcción en Acero IMCA Tomos I y II Ed. Limusa 9