Diseño Estructural I

DISEÑO ESTRUCTURAL I UNIVERSIDAD DEL GOLFO DE MEXICO LICENCIATURA EN ARQUITECTURA

OTOÑO 2010.

PRIMER SEMESTRE APUNTES

Diseño Estructural I

Profesor José Victor Meneses Campos

1

OBJETIVOS GENERALES:  Analizar el comportamiento de los distintos elementos de construcción.  Aprender a manejar los recursos y procedimientos para su análisis. ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE  Ejercicios de cálculo y análisis apegados a la realidad práctica.  Exposición y discusión dirigida. MODALIDAD DE EVALUACION DE LA ASIGNATURA  Exámenes exploratorios (3) 30%  A.C (trabajos, tareas, modelos) 60%  Participación 10%  TOTAL 100% Diseño Estructural I

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BIBLIOGRAFÍA  FERDINAN, Beer; “Mecánica vectorial para ingenieros” (estática); Mc Graw Hill; 2002.  LUTHE, García Rodolfo; “Análisis estructural”, Edit. Alfaomega; México, 2000.  AMBROSE. James, “Estructuras”, Edit. LIMUSA; México, 2001.  CARMONA Y PARDO, M. J.; “Estática en arquitectura”; Trillas; México, 2001.  FRANCIS, A.J.; “Introducción a las estructuras”; Edit. LIMUSA; México, 2000. Diseño Estructural I

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TEMARIO • FORMAS DE CONSTRUCCION – Construcción maciza – Construcción de entramado. – Construcción laminar. – Construcción mixta. • ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS. – Elementos constructivos sujetos a cargas verticales (cimentación de piedra). – Elementos constructivos sujetos a cargas verticales combinados con fuerzas o empujes horizontales (muros de contención). – Elementos de transición entre la construcción maciza y de entramado (arcos dovelados) Diseño Estructural I

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• ESTRUCTURAS – Estructuras de masa activa. • Transmisión de cargas. • Diseño de ramas: octagonales, oblicuas, espaciales, etc. • Estructuras de vector activo. • Armaduras en el plano. • Armaduras en el espacio. • Estructuras de forma activa. Cable parabólico. – Estructuras de vector activo. • SUPERFICIES PLEGABLES. – Prismas. – Piramidales. Diseño Estructural I

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• CENTROIDES. – Secciones geométricas básicas y polígonos regulares. – Secciones compuestas. • CARGAS – Apoyos. – Acciones y reacciones. – Esfuerzos. – Deformaciones. – Flexión.

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CONSTRUCCIÓN MACIZA

Las construcciones macizas son aquellas que están formadas generalmente por elementos pesados. Por ejemplo:  Piedra, ladrillo, block macizo, concreto simple y armado.  Perfiles laminados de acero como vigas y placas.  Elementos de madera como vigas y polines

 A simple vista nos podemos dar cuenta que son construcciones pesadas y masivas.  También podemos comprobarlo dando golpes y así sentir la solidez de la construcción.  Este tipo de construcción es el más común en nuestro alrededor. Diseño Estructural I

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Por ejemplo:  Casas de ladrillo con castillos, cadenas y losas de concreto.  Estructuras de naves industriales con vigas y placas de acero.

 Casas de madera con estructura de vigas y polines de madera.

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Ejemplos de casas y edificios construidas con ladrillo y concreto armado.

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Ejemplos de casas construidas con ladrillo y concreto armado.

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Ejemplos de naves industriales construidas con vigas y placas de acero.

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Ejemplos de casas construidas con madera maciza.

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1.2 Construcción de entramado.

Son construcciones que están formadas por redes o tramas tipo celosía. Son estructuras portantes capaces de mantener el equilibrio de las fuerzas que se generan en ellas. Las reconocemos fácilmente por que tienen armonía, ritmo y están construidas en serie.

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Ejemplo de un entramado de concreto reforzado. (Losa de vigueta y bovedilla).

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Ejemplo de un entramado de perfiles de acero. (Estructura de una vivienda).

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Ejemplos de un entramados con perfiles de acero. (Estructuras de edificios).

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Ejemplo de un entramado de madera. (Estructura de una vivienda).

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1.3 Construcción laminar. • Las construcciones laminares se caracterizan por ser muy esbeltas; lo cual les confiere un aspecto de “lámina”; este tipo de construcciones pueden realizarse con concreto armado, ladrillo, metal, madera, cristal y plásticos. • A este tipo de estructuras se les conoce también con el término de “cascarones”. Diseño Estructural I

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Ejemplos de cascarones de concreto.

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Ejemplos de cascarones de concreto.

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Ejemplos de cascarones de ladrillo.

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Ejemplo de estructura laminar de metal.

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Ejemplos de estructuras laminares de madera.

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Ejemplos de estructuras laminares de cristal.

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Ejemplo de estructura laminar de plásticos y policarbonatos.

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Ejemplo de estructura laminar llamada Velaria o tensoestructura.

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Ejemplo de estructura laminar llamada Velaria o tensoestructura.

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Ejemplo de estructura laminare llamada Velaria o tensoestructura.

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Ejemplo de construcción mixta.

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Ejemplo de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplo de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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2.

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS.

2.1 Elementos constructivos sujetos a cargas verticales (cimentación de piedra).

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CIMENTACIÓN Cimentación.- es la parte intermedia entre la superestructura y el suelo sobre el cual se apoya un edificio. Su función es la de transmitir cargas al suelo. Este suelo debe ser capaz de recibir dichas cargas. Para lo cual la cimentación debe ser calculada y diseñada.

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TIPOS DE CIMENTACIÓN.

1) Superficiales

2) Profundas

Cimentaciones superficiales o someras. Son las mas comúnes, son las que usamos en viviendas, pequeños edificios, construcciones ligeras, etc. Y cuando el terreno es duro a medianamente duro.

Cimentaciones profundas. Son aquellas que se utilizan para grandes edificaciones, construcciones pesadas o cuando el terreno es blando. Diseño Estructural I

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Cimentaciones superficiales.

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Cimentaciones profundas.

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Cimentaciones profundas. Pilote mediante rotación en seco. 1. Perforación mediante barrena 2. Colocación de la armadura 3. Hormigonado mediante tubo Tremie 4. Pilote terminado.

http://aparejata.wordpress.com/2007/09/01/tipos-de-pilotaje/ Diseño Estructural I

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REQUISITOS GENERALES PARA UNA CIMENTACIÓN

a) b)

c) d)

e)

Toda cimentación deberá desplantarse a una profundidad adecuada, es decir, sobre terreno firme. El sistema de cimentación deberá ser seguro contra el momento de volteo, rotación, deslizamiento o ruptura del suelo (falla al esfuerzo cortante). Deberá evitarse la corrosión del acero de refuerzo y el deterioro de la cimentación contra agentes nocivos. Los asentamientos diferenciales deben ser tolerables por el sistema de la cimentación. La cimentación deberá ser económica.

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PROFUNDIDAD DE DESPLANTE

Las cimentaciones superficiales deberán desplantarse debajo de la capa vegetal del suelo, a una profundidad tal, que no corra peligro de quedar destapada o socavada por la acción del viento o del agua (pluvial o subterránea). Si el nivel de desplante se localiza en suelo arcilloso, deberá tenerse mucho cuidado con los asentamientos, sobre todo si se trata de zapatas aisladas, una alternativa de solución sería mejorar el suelo mediante una sustitución de material. En caso de encontrarse arcillas expansivas lo conveniente será consultar al especialista en mecánica de suelos. Diseño Estructural I

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SOLUCIONES A TERRENOS INCLINADOS

Cuando en un terreno se presentan desniveles importantes, podrá optarse por escalonar la cimentación de acuerdo con la red estructural o bien, podrá rellenarse perfectamente para apoyar de manera adecuada la cimentación. En ningún caso deberá desplantarse una cimentación sobre una superficie inclinada, debido al posible deslizamiento provocado por la fuerza tangencial a la superficie de apoyo.

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SOLUCIONES A TERRENOS INCLINADOS.

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cimiento

relleno Muro de contención Diseño Estructural I

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MAQUINARIA PARA RELLENOS

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ESTRATOS DE SUELO

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Para conocer el tipo de suelo del terreno donde va a cimentarse, es necesario explorar el terreno natural por medio de sondeos con máquina o bien por medio de pozos a cielo abierto. Los pozos a cielo abierto , consisten simplemente en excavar un pozo en el terreno natural, de las dimensiones mínimas que permitan a un peón excavar con pico y pala (aproximadamente 1x2m). De las paredes de este pozo se puede observar los distintos tipos de suelos en sus condiciones naturales, lo que constituye una gran ventaja. Por economía este tipo de excavación no va mas allá de 3 m de profundidad, para evitar traspaleos. Diseño Estructural I

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La profundidad mínima de exploración en la excavación del pozo a cielo abierto, debe ser igual o mayor a 1.5-2.0 el ancho “b” de la cimentación.

Excavación ≥ 1.5-2.0 veces b A esta profundidad los esfuerzos que transmite el cimiento al suelo son aún significativos.

Todo esto aplica excepto cuando al explorar encontramos roca.

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Tipos de suelos • Gravas • Arenas • Limos • Arcillas

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http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/YM5.html

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http://edafologia.ugr.es/comun/congres/clasolt.htm Diseño Estructural I

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EXCAVACION = 1.5 b

105 CM

CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA DIBUJADO EN PLANO

80 cm

30 cm

b = 60 cm

EXCAVACIÓN EN OBRA PARA VERIFICAR EL TIPO DE TERRENO

PROFUNIDAD DE POZO DE EXPLORACIÓN = Preferentemente 2b Diseño Estructural I

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ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN

Cuando se construye una estructura es casi inevitable que se produzca algún asentamiento, por lo que deberán tenerse en cuenta los materiales que constituyen el suelo, al momento de diseñar la cimentación. 1) Los materiales granulares como gravas, arenas gruesas y medias, alcanzan generalmente su máximo asentamiento al aplicarles la carga, y con el tiempo se van asentando mas poco a poco.

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ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.

2) Los materiales como el limo y la arena fina pueden alcanzar una gran parte de su consolidación al aplicar la carga. Aumentando el asentamiento a lo largo del tiempo, debido a que el contenido de agua disminuye con la carga impuesta. Si el suelo tiene libertad de moverse en forma lateral por que hay saturación con agua, puede haber movimientos de gran importancia, con peligro para la estructura. En ocasiones es tanta la saturación con agua que el suelo flota si la arena esta muy suelta, con lo cual puede haber asentamientos diferenciales peligrosos. Diseño Estructural I

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ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.

3) Las arcillas alcanzan parte de su consolidación en el momento de aplicar la carga, pero como son plásticas, generalmente continúa esta consolidación a lo largo del tiempo en forma lenta. Una cimentación apoyada sobre una arcilla superficial se puede ir asentando a medida que esta se seca en época de estiaje, pero en época de lluvias la arcilla absorbe agua y se expande, haciendo subir a la estructura. Provocando daños a la edificación, durante la contracción-expansión del suelo. Este tipo de suelo es conocido como “arcillas expansivas”. Diseño Estructural I

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SOLUCIONES PARA EVITAR ASENTAMIENTOS a)

b)

c)

Para evitar movimientos en la estructura es necesario que la cimentación se desplante a una profundidad en la que los efectos de expansiones-contracciones se eliminen. En la mayoría de los casos se recomienda extraer las arcillas, (dependiendo de su grado de expansividad) cuando la capa de arcilla es gruesa, la alternativa es colocar entre el cimiento y la arcilla una capa mínima de 40 cm de arena media o gruesa, bien compactada. Evitar por medio de banquetas o firmes, escurrimientos o filtraciones de agua que lleguen a la arcilla.

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SOLUCION PARA EVITAR ASENTAMIENTOS.

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CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA Son cimientos de tipo superficial. Cuando se cálcula y diseña una cimentación, los resultados obtenidos deben vaciarse en planos. Estos planos que se llaman “estructurales de cimentación” llevarán notas que indiquen los materiales y el proceso constructivo que se realizara y que permita garantizar su correcta ejecución. Algunas de las notas más importantes son: 1) Niveles de desplante respecto al banco de nivel. 2) Cotas perfectamente detalladas. 3) En el plano se debe indicar la capacidad de carga del terreno con la cual se diseño la cimentación. 4) Tipo de mortero a emplearse para pegar la piedra. Diseño Estructural I

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Las dimensiones y secciones de los cimientos se indicarán en los planos estructurales correspondientes. Se emplearan piedras de gran tamaño, limpias, no fracturadas, unidas con mortero de cemento:cal:arena, con juntas no demasiado grandes, rellenando las oquedades de las uniones con piedras de menor tamaño. El escarpio deberá ser mayor a 60°.

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La corona del cimiento no será menor a 30 cm. (se recomienda que el ancho de la corona sea el doble del espesor del muro).

Esta corona deberá rematarse con piedras de gran tamaño para evitar juntas en el asiento de la cadena. Deberán preverse los anclajes de los castillos de acuerdo a lo indicado en los planos del proyecto. Se dejarán previstos los pasos de ductos de instalaciones sanitarias, hidráulicas y eléctricas. Diseño Estructural I

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DETALLE DEL ANCLAJE DEL CIMIENTO Anclaje mínimo de 40 cm.

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DETALLE DEL PASO DE INSTALACIONES

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ESPECIFICACIONES DE MATERIALES  LECHADA:  MORTERO:  CONCRETO:

cemento ó cal + agua. cemento y/o cal + arena + agua. cemento + arena + grava + agua.

Al mortero se le conoce comúnmente como “mezcla”. Al concreto se le conoce comúnmente como “revoltura”. Al concreto en algunos libros extranjeros se le nombra como “hormigón”. Diseño Estructural I

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TABLA DE PROPORCIONAMIENTO DE MORTERO ESTRUCTURAL TIPO DE MORTER O

PARTES DE CEMENTO HIDRAÚLIC O

I

1

0

A

1/4

II

1

1/4

A

1/2

III

1

1/2

A

1 1/4

KG/CM2 PARTES DE CAL HIDRATADA

RESISTENCIA A COMPRESIÓN

PARTES DE ARENA

125

NO MENOS DE 2.25 NI MAS DE 3 VECES LA SUMA DE CEMENTANTES EN VOLUMEN

75 40

EJEMPLOS TIPO DE MORTERO

BULTOS DE CEMENTO

BULTOS DE CAL

BOTES DE ARENA

RESISTENCIA A COMPRESIÓN

I

1

0

3

125

1

0.25

3.75

125

1

0.25

3.75

75

1

0.5

4.5

75

1

0.5

4.5

40

1

1.25

6.75

40

II III Diseño Estructural I

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CARGAS MUERTAS Capítulo VI del Reglamento de construcción del Municipio de Puebla. ARTICULO 345.- VALORES NOMINALES: Para la evaluación de las cargas muertas se emplearán los pesos unitarios especificados en la tabla siguiente: (ver tablas de pesos volumétricos). Los valores mínimos señalados se emplearán de acuerdo con el Artículo 333 cuando sea mas desfavorable para la estabilidad de la estructura considerar una carga muerta menor, como en el caso de flotación, lastre y succión producida por el viento. En los otros casos se emplearán los valores máximos. Diseño Estructural I

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II.- SUELOS: Arena de grano tamaño uniforme Arena bien graduada seca

seca saturada 1.90 saturada

Arcilla

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1.75 2.10

1.40 1.85 1.55

2.30 1.50

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1.95 1.20

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BAJADA DE CARGAS

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EJEMPLO 1

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En la losa no se multiplica por 0.20 Diseño Estructural I

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DISEÑO DE CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA CONFORME A LAS NTC-DF RESISTENCIA DE LA PIEDRA A COMPRESIÓN EN DIRECCIÓN NORMAL A LOS PLANOS DE FORMACIÓN = 150 KG/CM2

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Las piedras no necesitarán ser labradas, pero se evitará, en lo posible, el empleo de piedras de formas redondeadas y de cantos rodados. Por lo menos, el 70 por ciento del volumen del elemento estará constituido por piedras con un peso mínimo de 300 N (30 kg), cada una.

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ESFUERZOS RESISTENTES DE DISEÑO

MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO > 50 KG/CM2 f*m = 20 kg/cm2 (compresión) v* = 0.6 kg/cm2 (cortante) MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO < 50 KG/CM2 f*m = 15 kg/cm2 (compresión) v* = 0.4 kg/cm2 (cortante)

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CÁLCULO DE CIMIENTOS DE MAMPOSTERÍA

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2.2 MUROS DE CONTENCIÓN. La función de estos muros es la de presentar una barrera física que impida que un material de relleno invada una zona determinada. Existen casos en que la única función del muro es la de contener el empuje del terreno. Los muros de contención son muy empleados en proyectos de casas habitación cuando hay necesidad de cimentar sobre un terreno inclinado. En este caso, se debe de realizar un corte en el terreno para desplantar a nivel la cimentación. El cimiento entonces es sujeto a una combinación de cargas horizontales y verticales y, de este modo, se debe de analizar como muro de contención. Diseño Estructural I

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CÁLCULO DEL EMPUJE DEL TERRENO.

Se han desarrollado diversas teorías que establecen el valor del empuje E que actúa, por efecto del terreno, sobre un muro de contención. De las más conocidas son las de Coulomb, Rankine y Terzaghi. Las NTC recomiendan el empleo del método semi empírico de Terzaghi para el caso de muros con una altura menor a 6 m, siempre que se satisfagan requisitos de drenaje, para cuyo caso se emplean un filtro atrás del muro lloraderos y/o tubos perforados. Diseño Estructural I

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Teoría de Coulomb Cuando en forma libre se aglomeran materiales de cualquier tipo, tales como arena, grava, arcilla, etc., y no existe ningún impedimento al desplazamiento horizontal, el material en cuestión toma un ángulo de inclinación hasta alcanzar un estado de equilibrio. A dicha inclinación se le llama talud natural y al ángulo que toma dicho talud se le llama ángulo de talud natural .

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92

SOLICITACIONES EN MUROS DE CONTENCIÓN. Los muros de contención se deben verificar para que resistan las cuatro siguientes solicitaciones: Volteo, Deslizamiento, Hundimiento en el terreno y Cortante directo en la mampostería .

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DRENAJE EN LOS MUROS DE CONTENCIÓN Es muy importante que este tipo de estructuras tenga un sistema de drenaje eficiente, pues sin el la estructura puede correr un gran peligro de sufrir un daño estructural severo. El drenaje sirve para liberar exceso de humedad contenida entre el muro de contención y el terreno que contiene.

Las soluciones más comunes son los drenajes perforados que vierten el agua hacia algún sistema de desagüe. Otra solución son los “lloraderos”, los cuales son poco estéticos para usar en construcciones habitables. Diseño Estructural I

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EJEMPLOS

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EJEMPLO 1

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100

REVISION POR DESLIZAMIENTO Se debe cumplir

1.04 ?

1.50

(coeficiente de friccion x Mvd) / Eu

NECESITA ESPOLON CALCULARLO Y PONERLO si es menor a 1.5 es incorrecto, el muro falla por deslizamiento, se colocara un espolon si es mayor a 1.5 es correcto Calculo del espolon Vue Vue

= = r

(1.5 x Eu) - (0.6 x Mvd) 6,028.88

=

100.48 cm

Vue / (100 x coeficiente de friccion )

REVISION POR CORTANTE se debe cumplir Vr

? 30,000.00 ? h x 100 x 100 x .6

corona

2,100.00 CUMPLE 1.4 x P externa

CONCLUSIÓN QUE SE DIBUJARA EN EL PLANO = 0.75 m

base B altura h

= =

h enterrada h total espolon

= = =

m3 de mamposteria

=

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VU

2.70 m 5.00 altura sobre el nivel del terreno 1.00 20% de h 6.00 altura enterrada + altura sobre el terreno 100.48 m 10.35 por metro lineal

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101

ARCOS Son elementos formados por elementos pétreos dispuestos en tal forma que permiten soportar cargas sobre ellos y trasmitirlas a los apoyos.

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102

Nomenclatura de los arcos

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103

ARCOS

“Teorema del tercio medio”. Cuando a una superficie se le aplican fuerzas, la presión total es un sistema de vectores paralelos de diferente intensidad. Este sistema tiene una resultante cuya dirección, sentido y punto de aplicación pueden determinarse .

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104

Recomendaciones para predimensionar el peralte de un arco Luces

Medio punto

De 0.0 a 2.0 m De 2.0 a 3.5 m De 3.0 a 6.0 m De 6.0 a 9.0 m

1 asta 1.5 astas 2 astas 2.5 astas

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Rebajado 1.5 astas 2 astas 2.5 astas 3 astas

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Apuntado 0.5 astas 1 asta 1.5 astas 2 astas

105

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106

Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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Ejemplos de construcción mixta.

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