Libro Estructuras - Arq. Polo

DTSEÑO DE ESTRUCTURAS PARA ARQUITECTOS

Arq. Polo ,f. Galarza A. e-mail_: pofogale4Gvahoo.com Intloducción. Se exponen nuevos conceptos sobre geometrías, configuraciones y

criterios de diseño, que en definitiva son parte de una nueva metodologla para realizar la práctica de la proyectación arquitectónica. El actual desarrollo de la tecnologia a nivel mundial y de las investigaciones der fenómeno sísmlco hacen que 1a preparación de los profesionales en l_a rama de l_a construcción exijá poseer un conocimiento compl_eto y profundo sobre las modernas he¡ramientas de anál_isis y diseño estructural, sobre .l-as geometrias aplicadas al- diseño de estructuras, configuraciones y criterios que sj-rven para evaluar el diseño de esi¡ucturas; todo con eJ- objeto de realizar proyectos de edificaciones que sometidas a aceleraci-ones del- suelo respondan con un traba¡o mecánico eficiente según los requerimientos de nuestro medio, rnas aún estas exigencias deben ser obligatorias por medio de La elabo¡ación de un reglamento de arquitectura donde se definan las mas variadas formas estructural_es en su ¡necánica de trabajo, pues este aspecto está controlado por los arquitectos y es débilmente entendido. se presentan una serie de modelos estructurares que so¡netidos a fuerzas sismj-cas preséntan probl_emas sobre su estabil,idad y

comportamiento.

P¡og¡ma ETAgs' poltada con tolles

pet¡onas. Edificación en altura y hasa activa.

Las distintos modelos estructurales son investigados con l-os programas .SAP2000 y ETABS que ofrecen Ia mas completa visión sobre su dinámica de trabajo en el cual ta torsión en planra, tiempos de vibración, formas modales, piso blando, red.und.ancra, co]umna corta,

viga

larga

contra viga

cortar

etc.,

"ol

criterios que se propone sean recogidos por un códígo donde se establezcan 10s pri-ncipios fundamentales sobre r-a mecánica trabajo en .configuracjpnes estructural-es, se ordenen dey jerarquicen los parámetros para el diseño de estructuras, propongan normas y mecanismos de control que disrninuyan el ri-esgo sísmico en ras edificaciones permitiendo disenár con adecuadas medidas de seguridad. !a formación der- concepto sobre configuracrones estructurafes en forma, superficie, vector, sección, masa y actrva para su conocimiento requiere de la interrelaciónaltura e:ltre módulos de análisis estructural, dj-seño de1 simultánea hormigón, acero y otros materiales, geometrías, criterios, y riesgo sisnico sean entendidos cabal-mente y aplicados dÁ manera eiiciente para encontrar soluciones a problemas en proyectos de alquitectura' por 10 tanto se reqüt"re usar rnstrumentos aDropiados donde se exponga el comportamiento de l-as estructuras de manera eficiente y objetiva. El diagrama de momentos representa er- mecanismo interno de tral:ajo en las barras que forman parte de una estructura estable/ es un sj-stema en equilibrio de fuerzas que se exDresa como un par interno generalmente variable a lo largo dá los efementos y al mismo tiempo es energia potencial equilibraOa, no se puede concebir una estructura sin eI conocimilnto sobre cómo fluyen fas fuerzas a través de r-a elástica de materiales, cuáles son los valores de Ias fuerzas r.osy ceformaciones, sin estos conocimientos fundamentaLes el diseño de arquitectura es limj-tado y Ia construccíón no es posible. ¡-rquitectura y estructura no son disciplinas separadas, se compfementan mutuamente, deben estar comprendidas .r, lou plur"" de estudios de r-as facurtades de arquitectura como parte de un mismo problema más aun si los proyectos se construirán en zonas de alto riesgo sísmico. por mas ingenioso que sea, ningún profesionar de 1a arquitectura podrá diseñar verdaderamen¡e bien sin los conocimientos que 1e son propios de l_as ciencias de la ingenieria civi1, peor deberá estar habil-itado para construir, pues l-os criterios alrudan y sirven hasta punto para diseñar pero son un conocinrj-ento escasocilrto para rrri -^ñcf

-

Se debe hacer crítica arquitectónica evaluando proyectos desde el. punto de vista de su comportamiento estructural y ser visíonari-os en la búsqueda de nuevas so.luciones en ior*"" estructuraLes que no son comunes. Hay gue reconocer ,1os ffmj-tes profesj.onales entre arquitectos

ingenieros y manejar un lenguaje simil_ar de entendimiento parae establ-ecer reraciones productivas y de ética profesionar donde la configuración le pertenece aL arquitecto mientras el cálcu.Lo estructural al ingeniero civj_l en estructuras.

Con modernas herramientas de análisis

estructural se propone solventar 1as 1ábores profesionales en diseño, evaluación de proyectos de arquitectura, construcción y fiscalización de obras civiles de manera eficiente utilizando l-os recursos de la tecnologia de punta. Se afirma entonces, sin lugar a dudas, que los arquitectos deben saber de estructuras y son 1os creadores de las grandes construcciones de la humanidad. Modelos nateháticos de la a¡aitectu¡a:

ffi@%%

GEOMETRIAS, MODE¿OS bÍATEI1ATICOS Y

FISICOS,

CRTTERIOS FLrI'IDAMENTALES, TNsrRttMEltllos coNocrMrENTos y METoDos DE / ANA'.TSTS, Q.IE SIR\EN PASA DESARROLI,AR EI, DTSEÑO PN SS_TRUJTURAS

PARA ARQUITECTOS.

Toda estructura debe contener un ordenamiento estable de sus

vlreL¿vus. ^L;^!j-_^_ :,.-:

ienci.ar 1os crite¡ios :::Hl;i;". t"."::;:".".i1;,.ii

:::riamentales que sirven para ::sa¡roflar eI diseño de :::::.e¡rías estructurales,

durarrl" la aplicación de fuerzas si,endo su función ]a de permanecer a fo largo de1 clempo '

ls:a:lecer ros principios de -.- :ecanaca estructural para anatizar y diseñar =._:_ill1i: Luroó.

La estabil-idad es e1 requisr-to que toda estructura debe cumplir para que se mantenga

:::::::er er-

?i"".5n"tttottJ

comportamiento de es:rucfuras en forma, s::cerficie activa, vector, seccron/ masa y altura activa i€sde eI punto de vista del ffujo de fuerzas.

u¡da-mentos acerca de1 conocimiento de estructu€as.

F

¿Qué

es estructura?

¡-iemás de ser eI soporte de fa

:orrna toda estructura es rertebración resi-stente.

Existen numerosos eiemnlos

:ormas

una de

escultóricas que".j*.-ar"r"rJ] implican un

ordenamiento estab.le de elementos resistentes.

sus

de

so.Iicitacl,ones de carga, "f;::::: por estabifidad se entienOe,!t,e .f sistema obedece a fus i"i"" o"

Newton.

Por mas extraña que parezca toda forma estructural debe cumplir con fa condición que 1a sumatoria de las acciones exE.eraores e interiores sean iguales a cero, Gaudi hacía ciertos aná1isis matemáticos para encontrar 1a trayectoria de las fuerzas en sus proyectos y posicionar -Los el-ementos resistentes.

Santa Colona de Cervef]ó _ España, Cripta Co_lonia Guell.

&

Estación de Lyon 1994/ Lyon (Róda¡o) F¡ancia, Santiago Calat¡ava. Se observa apoyos irregulares de gran tmaño.

j

..''''

1914,

El diseñador debe inlurr cómo van a ffuir 1as fuerzas en todo el conjunto de h¡rr¡q,, l-ocalj.zar ru po"icio.,"-;;-i elementos resistentes sequn "¿

l.as coordenadas del cent¡o de gravedad deI objeco en e1 espacao, esto no siempre es evidente sobretodo en estructuras irregulares inf.luenciadas bajo 1a acción oe ruerzas severas.

el rectángulo faci.lita flujo de fuerzas.

e1

d:, Ar.lánrida, Monlevadeo Uruguay lgl:"i" Dieste. creatividad i::", . Etadio lr¡egu-l.ar en ladriflo y ceránica a¡naJa de afta resistencia.

Las

estructuras

::1.:f:9." crentifico

::::1t" ^0.. Ia igtesia de ta cofonia de Loloha, Gaudi. Las colmas :=i:raIes inclinadas la :aa!.gc¡oria de las fue¡zas ys¡guen en .ci-Daestón. tienen la toma trabajan ae I¡ueJo a las nayo¡es soricitaciones á! ?¡1i9o _as ¡ue¡zas eD su6 extremos.

En zonas de al-to riesgo sismico es necesario revisár Ia geometria de La esEructura en. pl-anta y en el"evacj_ón para evitar comportamientos que p?191n en pet igro la eortrcación.

deben

ser bajo er. risor

del equilibrio de ruerzas y no se debe aventurar haciendo conflguraciones espectaculares con el- ánimo de irnpactar alcl-iente esperando que eI ingenrero 1e resol-verá el problema de esEabil_idad estructural, pues 1a física es ta fisica.

Se puede dj_señar con más recursos p]ásticos, gran capacidad creativa mate¡iales di-versos en zonasy con historias de sismos bajos, eI sismo siempre ha sido de rnpredecible intensidad y difícil- de eval_uar. Las configuracrones geométricas basadas en formas regulares como el cuadrado o

o" rene¡ife, s. T11:::i:-_."-:=:." ¿rrrsta e

caiatrava ingeniero especi-afiEta en puentes. gstruct-u¡a ro¡na de einta con luna en menguante. e¡ 5

f,M. Pei entre otros sostiene que el arguitecto debe tener só1idos conocimientos de Ia ingeniería civil si desea afcanzar a ser un visionario en propuestas más que audaces seguras.

l-ivianos hacen posible obtener desafíos estructurales como en los arcos parabólj-cos de creación Gaudiniana, con entramados

proporcJ-ones.

en

grandes

!1 ¡nismo Pei reconoce el riesgo que significa diseñar ol-vidado de l_os principios de la mecánj_ca estructural, :::ando diseñó el John Hancock Tcwe!, edificio de 60 pisos en 3cston, en L9'7 6 decidió se ccnstruya en acero en planta i-rregular, sobreestimando e1 efecto de 1a torsión en planta debido a 1as fuerzas laterales causadas por el viento, fallando un muro estructural con reparaclones por varios mifl-ones de dófares. Arco parabó.lico de 116 n de .Ia¡go, Toronto Canadá 1990, S. Calatrava,

Los modernos programas computacionales de. cálculo estructuralpermiten una notabl-e precisj_ón sobre el comportamiento mecánico en éql

11r-f

rr

Y: c

complej as

dÍfícil-es de imaginar en armados, secciones y tipos

Planta irregular tlapezoj.dal con 6O plsos, se presentó eI efecto de torsión en planta debido a Las acciones del viento, existe un brazo de palanca entre el centro de masa y eI cent¡o de rigj-dez del piso. LM. pei, John Hancock Tower.

de V

de

li

Las cargas se dístribuyen de manera desordenada por la planta hacia et núcleo central generando concentración de esfuerzos en vigas y columnas proporcionando desplomes y deformaciones que afectan ta estabifidad en la estructura. La tecnología en el uso materiales mas resistentes

sus

il fl

Ingrreso Palacio de Justicia pe¡radih, Francia,,Jourdan esbelta tipo árbol.

Se puede hacer un dj-seño en tres dimensiones de la estructura con fa forma mas variadaysometerlaal_a accj-ón de cargas para comprobar que es po"ibl" configurar el p¡oyecto y ¡eal-iza¡ su ejecución,

Propiedades de ].as seccj.ones. Cuando se realiza un proyecto

de

arquitectura

1lega

hace¡ una estimación de las cargas actuantes, se deben esl].mar Ios valores del_ peso Proplo, de l-a sobrecarga, cargas de viento, impacio, s.].smo y otras con eI objeto de establecer .l-os valores de las ruE!¿ds Y Proveer los refuerzos secc]_ones necesarias que van a resistir tal-es cargas, haciendo un aná1isis somero se deben

esti_mar mediante predimensionado r¡vur¡r.s¡¡D¿ur¡dqo

e¡co palabólico,

conforhación de barras.

La comprobación de su respuesta estructural se basa cr¡ J-OS conocimientos iradicionales del- anáLisis v diseño de estructuras.

A¡co_ parabóljco con 20 het¡os de luz y 10

de altura. diagrea de defornacionei .i:9". de q¡avedad/ 1a :::.^ Dr¡omenente ¡epartida en correasca¡sa se transnite hacia los nudos de.l arco.

un

momento en que se recomlenda

un las

oropJ_edades geométricas y físicas de las secclones y concebir Ia particularidad dei

armado.

Todos l-os materiales empleados en una estructura deben poseer

cropiedades geométrica; y fisicas definidas propiedades de ].a mareraa, com; .Ias propiedades geométricas "ir_run Para definir la forma y dimensiones de Ia secció; transversal deL rtÉñFhr^ propiedades que conüinJ;;";;; l-as físicas definirán el material que soportará un maxl-mo de carga. Propiedades geométricas: son la longitud, eI área, Perimetro, momentos de r.nercia, radios de gj.ro, módulo resistente, centro de gravedad, etc. Propiedades fÍsicas: masa, Peso, rigidez, módu.lo de eLasticidad y corte. punto de fluencia, coeficiente de poisson. inercia, temperatura,

Diagrda de ca¡ga axiaf en Dar¡as, compresión en ¡ojo y tracció¡ en earillo-

Propiedades que conbinadas y proporcionadas de manera

e:acta hacen eficiente :rabajo mecánico de 3_i_emento estructural.

el cad.a

-tr-':iq-üe una estructura

posea apar j-encia desordenada ..--. e :::es:ab-Ie Los e]ementos =i-v--^fr1¡-1^_ Lu¡d1c> oeben tener ;'i:::as I'inculantes de enface o l.ru posibititen .^tjl r-= .arcas, permitiendoel ftujo esia -:*:-e:a la transmisión de de sus =:::c:!es hacia otros el-ementos :a:a ccnseguir evacuar -l_as hacia eI sistema de l;:;as :::e:¡:aci-ón.

¿Po¡ gué rro

se

estructuras?

Las

respuestas variadas:

caen

].as

son

muy

"Porque posee, masa, peso v ññt t^ a Po¡que posee, inercia a.l vofteo en anbos ejes,

canto inerci

Porgue poseen riqidez

y

un aJ.to elastjájdua, -a" u..r)1, i??i1.". de otro. nateriaf elest¡co'., i2.::^0, -u

J;'."T; '::::;; i:i:i¡"#" cargas.

3: y-aisipan so, sjs¿enas !1:Si: t"t dúcrj_tes --ia! que

Hzi::x:.o",

1t::+

posf,c]ón de :7:_ . cercana cert¡o-1"de gravedad con respecto

su a.L

sjsremás que rjenen f?:A".::, aJta riqidez af corte. vorque .poseen buena esra¡_i_ljdad -,,"

i:irr1;.r::.""a

por

el ¿,.u a.

Porqere posee n

muchas co]umas ¿arto tjenen muchds lj¡e¿sy

¡,usem, usA 2oar, s. xllT:l:. A¡t.romá tipo hantarraya

;i;::i::"'

:x:;::3:::-con

Para todas l-as estructuras el objetivo es póseer estabilidad Para resistir -;;"-;."";: d^ gravedad y sismo cárnáq y perdurar a 1o largo :"9"r:tiempo. deJ-

Torre

telefónica,

lt,l?defensa. de ,_?t*: .so¡ fo¡nas geométricas de propiedades esta.b-Zes co¡ocidas. esrán bien djse¡adas y bjen ::ífl:

ros prosranas nas

respuestas válidas, T::."_,son ras estructuras son sistemas cuyos comportamientos obedecen generales del" .1_".: leyes estable que son l-os _equilibrio Principios de ¡-a mecánica cIásica Newtoniana. .

ri',;'., o. :".:;"""'":: :if:l:1 .:--.;;;". elehenco irregular a.ltmerite rtgrdo. I qq?

Meqa

estructura en equilib¡io

estable,

de Newron, es li: 1.V." leyes de la inercia,decir 1o. fuerza y de l-a acción La y

son el

::i:::?: concepruat ""po.tá de Ia :: l.j.-i,, estructural_, desde T::"lr:" ]-as estructuras má sirapres rr." tu-1u"'"*:"tT::ffi ;' . complejas contiene"- u"to! "l pirncipios universales. f,as fuerzas. :ccio_

e1 universo es un sistema

en esuilibri. t;; ::-:l-"-':3." .::¡eraccj-ón entre sistemas ere¡géticos y entre masas de e:e;nentos deformances, Ias :::::::^.i-surtan .debido " i; _---vLqee¿vrr de masas

1ae¡ciafes. i.as-

son srstemas

,estructuras

a ru,,u" :-TÍ:^:ar"tico_s !u+ LEr¡

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e_L

111,1";".*. ""..= i, .,."S|jii".ti". ene¡gia resistente.

¡os ,conceptos que se derivan :: ros anteriores luego de Las propledades :l_.o:po:u, geométricas y físicas de Los raierial_es convie¡ten a .l-as 5cfr,-^+.,--_v v¡qesurds

inercia,

en

oiorr".o""'"t"*il

ri.gide

z, =:::1.r"; at.tifls, elasticidad,

esfuerzos de trabajo solida¡j.o entre ellos .nacrendo flui¡ las cargas y mantener a la estructura en equilibrio establ-e. Es fundamental conocer Ia posición de 1as cargas en las barras ya gue desde aqui se pueden estimar sus efectos tales como compresión, flexión, tracción, corte, Eorsión, etc. Se aplican barras

fuerzas

a

luego interretaciüan rJ"-"'"""ri_oal! para observar

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::I'po_rt,anLie.nto,'"" en tunci.on lo" criterios €nsayo en resistencia Jef ;; material-es y obtienen respuestas sobre se 1os model-os que hacen ef risor iillTiii..r crentÍfico del- comportamiento é