Sistemas estructurales basicos

Identificación de los Sistemas Estructurales Básicos Introducción Se define como estructura a los cuerpos capaces de resistir cargas sin que exista una deformación excesiva de una de las partes con respecto a otra. Por ello la función de una estructura consiste en trasmitir las fuerzas de un punto a otro en el espacio, resistiendo su aplicación sin perder la estabilidad (Marshall y Nelson, 1995). La anterior definición genera diferentes tópicos tales como: fuerza, momento de una fuerza, esfuerzo, deformación etc., que buscan cumplir con la premisa expuesta anteriormente. Para lo cual, estas notas pretenden introducir al estudiante en el área de la estabilidad, indicando las exigencias que debe cumplir una estructura y una descripción cualitativa de las diferentes formas que se pueden concebir en la estructura, para desempeñar la acción impuesta por el arquitecto e ingeniero estructural. Esta descripción cualitativa no basta para definir una estructura con todos sus detalles, hace falta conocer de estática, mecánica de materiales, análisis estructural mecánica de suelos y diseño de elementos de un material dado (acero, concreto armado, madera etc..), que permiten establecer una estructura que cumpla con la definición dada.

Exigencias de la edificacion El uso que se le dará a la edificación establece ciertas exigencias relativas a funcionalidad, seguridad, urbanismo y economía. Exigencias de funcionalidad. Dependen de la función que tiene lo edificado. Exigencias de seguridad y confort. Determinan el tipo y la calidad de los materiales a emplear en la construcción. Urbanísticas. Integran la edificación a un medio ambiente. Económicas. Definen los costos de la obra a construir. Una Edificación es de acuerdo a lo anterior, el producto de un sistema de relaciones geométricas y resistentes que permiten indicar la forma y función de cada una de las componentes que la constituyen, donde la principal exigencia es que sea segura estáticamente, esto implica que los edificios no deben derrumbarse. En consecuencia se debe garantizar desde el mismo instante de concebirse la edificación la estabilidad del sistema estructural. La garantía de estabilidad se basa en principios estáticos que se pueden clasificar en: 1. Principios estáticos básicos que optimizan el comportamiento de los materiales ante diferentes solicitudes de carga y se refieren a los esfuerzos básicos de tracción, compresión y corte. 2. Principios estáticos complejos que esta compuesto por los diferentes preceptos: -

Dintel: Se basa elementos horizontales lineales que se apoyan en elementos verticales a compresión (Fig 1A).

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Pórtico: Se crean elementos horizontales que se encuentran unidos a elementos verticales, de forma tal que se origina la continuidad en todo el conjunto asegurando la estabilidad del mismo (Fig 1B).

Figura 1. Dintel y Pórtico.

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Arco: Se basa en el elemento constructivo arco. Permite cubrir mayor longitud; no solamente soportan compresión, sino el empuje horizontal que les transmite el arco siendo necesario tirantes y contrafuertes (Fig 2A).

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Triángulo: Consiste en vano de dos elementos en forma triangular con el suelo. Son barras articuladas sometidas a tracción y compresión (Fig 2B).

Figura 2. Arco y Triangulo.

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Árbol: Definido por elementos verticales de soporte aislado que sostienen individualmente cubiertas horizontales (Fig 3A).

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Neumático: Se basa en formar componentes constructivos con materiales elásticos que permitan inflarlos de aire (Fig 3B).

Figura 3. Árbol y Neumático.

Clasificación de Sistemas Estructurales 1. Sistema de Forma Activa: Estructuras que trabajan a tracción o compresión simples, tales como los cables y arcos. 2. Sistemas de Vector Activo: Estructuras en estados simultáneos de esfuerzos de tracción y compresión, tales como las cerchas planas y espaciales. 3. Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexión, tales como las vigas, dinteles, pilares y pórticos.

4. Sistemas de Superficie Activa: Estructuras en estado de tensión superficial, tales como las placas, membranas y cáscaras (Orozco, 1999).

Sistemas de Forma Activa Cables Los cables son estructuras flexibles debido a la pequeña sección transversal en relación con la longitud. Esta flexibilidad indica una limitada resistencia a la flexión, por lo que la carga se transforma en tracción y también hace que el cable cambie su forma según la carga que se aplique. Las formas que puede adoptar el cable son: 1. Polígono funicular, es la forma que adopta el cable ante fuerzas puntuales. 2. Parábola, es la curva que adquiere el cable ante una carga horizontal uniformemente repartida. 3. Catenaria, es la figura que forma el cable ante el peso propio del mismo.

Figura 4. Formas que adopta un cable.

Figura 5. Elementos del sistema de cables.

Un cable no constituye una estructura auto portante a menos que cuente con medios y procedimientos para absorber su empuje. Esto se logra canalizando sobre las torres la tracción del cable y anclando en tierra (Fig. 5) Con este tipo de sistema estructural se han construido puentes que en la actualidad el más largo es el AkashiKaikio en Japón y tiene una luz de 1900 m (Avalos, 1998; Salvadori, 1998).

Arcos Si se invierte la forma parabólica que toma un cable, sobre el cual actúan cargas uniformemente distribuidas según una horizontal, se obtiene la forma ideal de un arco que sometido a ese tipo de carga desarrolla sólo fuerzas de compresión. El arco es en esencia una estructura de compresión utilizado para cubrir grandes luces.

Figura 6. Estructuras usando arcos.

En gran diversidad de formas, el arco se utiliza también para cubrir luces pequeñas, y puede considerarse como uno de los elementos estructurales básicos en todo tipo de arquitectura. La forma ideal de un arco capaz de resistir cargas determinadas por un estado de compresión simple, puede hallarse siempre con la forma del polígono funicular correspondiente invertido (Fig. 7). Por medio de este método, determinó el arquitecto español Gaudí, la forma de los arcos para la iglesia la Sagrada Familia, en Barcelona.

Figura 7. Forma ideal del arco.

Los arcos generan fuerzas horizontales que se deben absorber en los apoyos mediante contrafuertes o tensores enterrados. Cuando el material de los cimientos no es apropiado el empuje del arco hacia afuera se absorbe mediante un tensor. La forma de un arco no se elige por motivos puramente estructurales. El arco de medio punto, usado exclusivamente por los romanos, posee propiedades constructivas que justifican su empleo. Asimismo, el arco gótico posee ventajas tanto visuales como estructurales, mientras que el arco árabe, típico de las mezquitas y de cierta arquitectura veneciana, es "incorrecto" desde un punto de vista puramente estructural. Con este tipo de estructura se construyó el Puente New River George en West Virginia que es una estructura de acero que cubre 518,66 m (Avalos, 1998; Salvadori, 1998).

Sistemas de Vector Activo Cerchas Considérese ahora la estructura obtenida volcando el cable hacia arriba y reforzando sus tramos rectos con el fin de conferirles resistencia a la compresión. La "flecha negativa" o elevación modifica la dirección de todas las tensiones y el cable invertido se convierte entonces en una estructura de compresión pura: es el ejemplo más simple de armadura (Fig. 8a y 8b). Las barras comprimidas transmiten a los soportes la carga aplicada a la parte superior de la armadura, sobre los apoyos actúan fuerzas verticales iguales a la mitad de la carga y los empujes dirigidos hacia afuera. El empuje puede absorberse por medio de contrafuertes de material resistente a la compresión como la mampostería, o un elemento de tracción tal como un tensor de acero. Estas armaduras elementales de madera con tensores de hierro, se construyeron en la Edad Media para sostener los techos de pequeñas casas e iglesias (Fig 8c).

Figura 8. Cerchas

Las barras de una armadura no van más allá de los puntos de unión. Esta se realiza por medio de remaches, pernos o soldadura a una “cartela” dispuesta en la intersección de las barras (Fig 9).

Figura 9. Cartela.

Con este tipo de estructura lo usual es cubrir hasta luces de 20 m, pero se han logrado mayores luces (Avalos, 1998; Salvadori, 1998).

Sistemas de Masa Activa Vigas Las vigas figuran entre los elementos estructurales más comunes, dado que la mayor parte de las cargas son verticales y la mayoría de las superficies utilizables son horizontales. Por consiguiente las vigas transmiten en dirección horizontal las cargas verticales, lo que implica una acción de flexión y corte. Los arcos funiculares ocupan un extremo de la escala de tensiones, con ausencia de flexión; las vigas ocupan el extremo opuesto, trabajando sólo a la flexión. En una viga simplemente apoyada, una carga aplicada en el punto medio se transmite por mitades a ambos apoyos (Fig. 10). En las vigas de volado esta se trasmite al extremo apoyado (Fig. 11). (Salvadori, 1998)

Figura 10. Viga simplemente apoyada.

Figura 11. Viga en volado.

Las máximas luces que se pueden conseguir en vigas varían según el material y la forma de la sección transversal.

Dinteles y Pilares El sistema de pilar y dintel pueden construirse uno sobre otro para levantar edificios de muchos pisos. En este caso, los dinteles apoyan en pilares o en paredes de altura igual a la del edificio. Si bien la construcción de este tipo puede resistir cargas verticales, no ocurre lo mismo con las horizontales, así los vientos huracanados y terremotos dañan con facilidad este sistema, pues la mampostería y los elementos de piedra poseen escasa resistencia a la flexión y no se establece una conexión fuerte entre los dinteles y pilares (Salvadori, 1998).

Figura 12. Pilar y dintel.

Pórticos La acción del sistema de pilar y dintel se modifica en grado sustancial si se desarrolla una unión rígida entre el dintel y el pilar llamándose ahora viga y columna (Fig. 13). Esta nueva estructura, denominada el pórtico rígido simple o de una nave, se comporta de manera monolítica y es más resistente tanto a las cargas verticales como a las horizontales.

Figura 13. Pórtico

A medida que aumentan el ancho y la altura del edificio, resulta práctico aumentar el número de naves, reduciendo así la luz de las vigas y absorbiendo las cargas horizontales de manera más económica. La estructura resistente del edificio se convierte de este modo en un pórtico con una serie de mallas rectangulares que permiten la libre circulación en el interior, y es capaz de resistir tanto cargas horizontales como verticales. Una serie de estos pórticos, paralelos entre sí y unidos por vigas horizontales, constituye la estructura tipo-jaula que encontramos hoy en la mayoría de los edificios de acero o de concreto armado. Estos pórticos tridimensionales actúan integralmente contra cargas horizontales de cualquier dirección, pues sus columnas pueden considerarse como parte de uno u otro de dos sistemas de pórticos perpendiculares entre sí (Fig. 14).

Figura 14. Pórtico tridimensional.

Bajo la acción de cargas verticales, los tres elementos de un pórtico simple se hallan sometidos a esfuerzos de compresión y flexión. Con las proporciones usuales de vigas y columnas, la compresión predomina en las últimas y la flexión en las primeras. Las columnas son relativamente esbeltas y la viga relativamente alta (Salvadori, 1998).

Sistemas de Superficie Activa Placas Los sistemas de entramado son particularmente eficientes para transferir cargas concentradas y para lograr que toda la estructura participe en la acción portante. Esta eficiencia se refleja no sólo en la mejor distribución de las cargas sobre los apoyos, sino en la menor relación espesor a luz de los entramados rectangulares. La relación espesor a luz en los sistemas de vigas paralelas empleados en la construcción corriente varía entre [1/10, 1/24], según el material de las vigas.

Figura 15. Acción de placa.

En el proyecto moderno de edificios de oficinas, es común apoyar las placas de piso sobre una pared exterior o sobre una serie de columnas y en el “núcleo” interno, dentro del cual se disponen los ascensores, conductos de aire acondicionado y otros elementos del sistema mecánico, eléctrico y sanitario. De esa manera se obtiene una zona de piso totalmente libre (Fig. 16).

Figura 16. Placa de piso con núcleo interno.

La unión entre columnas y placas debe proyectarse para absorber el llamado “punzonamiento” de las columnas y requiere a menudo el uso de capiteles o placas intermedias de distribución. A fin de evitar capiteles, se emplean conectores de corte de acero, para garantizar la transferencia de la carga desde la columna a la placa en el proyecto de hormigón armado. La eficiencia estructural de las placas puede aumentarse reforzándolas con nervaduras, eliminando así parte del material de la zona próxima al plano neutro sin tensiones (Fig 17). Las placas plegadas pueden hacerse de madera, acero, aluminio o concreto armado. Las de este último material son particularmente económicas, pues es posible preparar su encofrado con tablones rectos, o bien prefabricar las losas de concreto en tierra, izarlas hasta su lugar y conectarlas soldando las barras transversales en el pliegue, con lo que se evita la mayor parte del encofrado (Salvadori, 1998).

Figura 17. Placa con nervaduras.

Membranas Una membrana es una hoja de material tan delgada que para todo fin práctico, puede desarrollar solamente tracción. Algunos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por pre-tensión producido por fuerzas externas o presión interna. El pretensado permite que una membrana cargada desarrolle tensiones de compresión hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de tracción incorporadas a ellas.

Figura 18. Ejemplos de membranas pretensadas

No obstante la inconsistencia de las membranas respecto a la mayor parte de los estados de tensión, el ingenio humano ha hallado maneras de utilizar membranas para fines estructurales, sobre todo debido a su bajo peso. La carpa del circo es una membrana capaz de cubrir decenas de metros, siempre que la tela cuente con adecuado sostén en parantes de compresión, estabilizados por riendas de tracción (Fig. 18). Las carpas son útiles como cubiertas temporarias y aceptables como techos permanentes si son altamente pretensadas (Salvadori, 1998).

Cáscaras Se denominan estructuras resistentes por la forma a aquéllas cuya resistencia se obtiene dando forma al material según las cargas que deben soportar. Una membrana invertida y sometida a las mismas cargas para las cuales se le dio forma originariamente, seria una estructura de este tipo y desarrollaría sólo compresión, es decir, constituiría el antífunicular bidimensional de esas cargas (Fig. 19).

Figura 19. Cáscaras

Su movilidad e incapacidad para resistir tensiones de corte o de compresión, restringen el uso de las membranas. Todas las desventajas de la acción de membrana se evitan conservando al mismo tiempo la mayor parte de sus ventajas en las cáscaras delgadas.

Figura 20. Formas de cáscaras.

Las cáscaras delgadas son estructuras resistentes por la forma, suficientemente delgadas para no desarrollar tensiones apreciables de flexión, pero también suficientemente gruesas para resistir cargas por compresión, corte y tracción. Aunque se las ha construido de madera, acero y materiales plásticos, son ideales para construirlas en concreto armado. Las cáscaras delgadas permiten la construcción económica de cúpulas y otros techos curvos de formas diversas, gran belleza y excepcional resistencia (Fig. 20), este tipo de estructura figura entre las expresiones más refinadas del diseño estructural (Salvadori, 1998).

Referencias Bibliográficas -

Avalos, E. (1998). Construcción para Arquitectos Tomo 2. Medellín, Colombia: Universidad Pontificia Bolivariana. Marshall, W. y Nelson, H. (1995). Estructuras. México D. F., México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Orozco, E. (1999). La Estática en los Componentes Constructivos. San Cristóbal, Venezuela: UNET. Salvadori, M. (1998). Estructuras para Arquitectos. Buenos Aires, Argentina: Kliczkowski Publisher.

CLASIFICACION DE SISTEMAS ESTRUCTURALES

1. Sistema de Forma Activa:

Estructuras que trabajan a tracción o compresión simples. Cables y Arcos 2. Sistemas de Vector Activo: Estructuras en estados simultáneos de esfuerzos de tracción y compresión. Cerchas planas y espaciales 3. Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexión. Vigas, Dinteles, Pilares y Pórticos 4. Sistemas de Superficie Activa: Estructuras en estado de tensión superficial. Placas, Membranas y Cáscaras EXIGENCIAS DE LA EDIFICACION

Exigencias de funcionalidad: Dependen de la función que tiene lo edificado. Exigencias de seguridad y confort: Determinan el tipo y la calidad de los materiales a emplear en la construcción. Urbanísticas: Integran la edificación a un medio ambiente. Económicas: Definen los costos de la obra a construir. ASPECTOS FUNDAMENTALES PARA LA EXISTENCIA DE TODA EDIFICACIÓN:

¾ El delimitar y clasificar el espacio construido. ¾ La seguridad estática. ¾ El confort ambiental. PRINCIPIOS GEOMETRICO-CONSTRUCTIVOS: Los Principios Geométrico- Constructivos relacionan en el proceso, una forma geométrica, su estabilidad, y la constructibilidad. PRINCIPIO DE ENVOLVENTE GLOBAL: Se refiere a los métodos o procedimientos donde no existe una clara diferenciación entre los elementos de cerramiento vertical y los de cerramiento horizontal. PRINCIPIO DE ENVOLVENTE EN CAJA: Métodos o procedimientos constructivos que muestran una marcada diferencia entre los elementos de cerramiento horizontales y verticales, abarcando la realización de toda forma prismática que cubra y encierre un espacio. PRINCIPIOS ESTÁTICOS: "Los edificios no deben derrumbarse"; de allí la importancia de la función de la seguridad estática que debe ser garantizada desde el mismo instante de concebir la edificación. PRINCIPIOS ESTÁTICOS BÁSICOS: Optimizan el comportamiento de los materiales ante diferentes solicitudes de carga y se refieren a los esfuerzos básicos de tracción, compresión y corte. PRINCIPIOS ESTÁTICOS COMPLEJOS. - Principio del Dintel: Se basa elementos horizontales lineales que se apoyan en elementos verticales a compresión. - Principio del Arco: Se basa en el elemento constructivo Arco, permite cubrir mayor longitud, no solamente soportan compresión, sino el empuje horizontal que les transmite el Arco; siendo necesario Tirantes, Contrafuertes. - Principio de Bastidor: Se crean vanos de elementos horizontales que se encuentran unidos a elementos verticales, de forma tal que se origina la continuidad en todo el conjunto asegurando la estabilidad del mismo. - Principio del Triángulo: Consiste en vano de dos elementos en forma triangular con el suelo, son barras articuladas sometidas a tracción y compresión. - Principio del Árbol: Definido por elementos verticales de soporte aislados, que sostienen individualmente cubiertas horizontales. - Principio del Neumático: Se basa en formar componentes constructivos con materiales elásticos que permitan inflarlos de aire. PRINCIPIOS DE CONFORT AMBIENTAL: El asegurar el confort ambiental del usuario de una edificación, se puede generalizar en varios aspectos que implican la existencia de requerimientos constructivos: -

PROTECCIÓN DE LA EDIFICACIÓN CONTRA PRECIPITACIONES. CONTROL Y AISLAMIENTO TÉRMICO Y ACÚSTICO. CONTROL DE LAS FILTRACIONES DE AGUA O DE AIRE A LA EDIFICACIÓN. EXISTENCIA DE DOTACIONES E INSTALACIONES DE SERVICIO.

Formas que adopta el cable

Construcciones realizadas con cables Puente Verrazano que se encuentra a la entrada del puerto de Nueva York, tramo central de 1.298,45 m. Puente Humber de Inglaterra con un tramo central de 1.410 m. Puente Akashi-Kayno de Japón con un tramo de 1.767,84 m. Arquitectos: Nervi y Covre Estructura: Techo de fábrica (30 m de ancho y 250 m de largo) Torres de concreto armado inclinados apoyados en elementos de compresión más cortos. El techo horizontal está formado por vigas y losas de concreto armado, prefabricados. Esta estructura permite cubrir en forma económica áreas de 1.000 metros cuadrados sin columnas intermedias. Arquitecto: Saarinen Estructura: Pista de patinaje Universidad de Yale Los cables cuelgan de un arco central con curvatura invertida en los extremos y se anclan en las paredes periféricas, pesadas y curvas, de la pista. Material de la cubierta es de madera. Arquitecto: Nowicki Estructura: Techo del estadio de Raleigh, en Carolina del Norte, Dos arcos de concreto inclinados que se cortan, sostenidos por una serie de cables principales. Un conjunto de cables perpendiculares a los anteriores forman una malla sobre la cual es posible disponer un techo de lona.

Forma invertida de un cable a carga distribuida. Ausencia de Flexión, solo Compresión

Los arcos romanos de medio punto Los puentes medievales de piedra, hasta cubrían unos 30 m. unos 55 m. Puente New River George en West Virginia. Estructura de acero que cubre 518,66 m

Puente KRK de Yugoslavia Estructura de un solo arco de concreto armado

Sistema PG, desarrollado por Gugliotta

Estructura: Techo del Centro de Convenciones Jacob K. Javits, Nueva York. Weldlinger Asociados Consta de unidades cuadradas sostenidas sobre pilares de hormigón, de 27 metros, en el centro

El rascacielos es una de las grandes conquistas del moderno diseño estructural, posibilitado por el pórtico de plantas múltiples y por la elevada resistencia del acero y el hormigón. El Empire State, construido en 1930, 102 plantas y una altura de 442 m, no incluye los 60 de la torre proyectada originalmente como amarradero de dirigibles y los 67 m de la antena de televisión. El edificio de la Compañía de seguros John Hancock de Chicago. Las torres gemelas del Worid Trade Center de Nueva York. El edificio Sears también en Chicago, Todos construidos en la década de 1970. Alturas entre 365,76 y 441,96 m. Estructuras de acero

Los rascacielos de hormigón no pueden alcanzar la altura de los construidos en acero. Resultan económicos hasta unos 180 m Edificio Water Tower de Chicago de 273 m. Generalmente constan de estructuras exteriores y de un núcleo interno construido por medio de paredes de hormigón.

Estadio Olimpico de Munich Arquitecto: Frei Otto Area: 246.278, 40 m2 Sostenido por nueve mástiles 79,24 m de alto. Cables pretensados de una capacidad de 5.000 t Techo: losas traslúcidas de Plesiglass, ligeramente coloreadas en color marrón grisáceo. Carpa terminal Haj del aeropuerto de Jiddah, Arabia Saudita, para los peregrinos a la Mecca Arquitecto: Geiger-Berger Consta de 210 módulos cuadrados, de 45,30 por 45,30 m, cubren un área de 23 acres.

La carpa del zoológico Franklin de Bostón, Massachussets. Arquitecto Weidlinger Asociados, Tres paneles de cable reforzado de material plástico, sostenido por trípode de tres arcos inclinados, descansa sobre un anillo de hormigón reforzado que está comprimido por la tracción de los cables. Cubre un área circular de siete acres con un radio de 53,46 metros. Arquitecto: Horacio Caminos Tela circular unida a un aro de compresión, se somete a tracción por parantes de compresión.

Pabellón Fuji feria mundial de Osaka (1970). Arquitecto: Murata. Techo curvo de 49,20 m por medio de tubos curvos inflados de material plástico, la presión interna puede variar para estabilizar la estructura con velocidades de viento crecientes

Encofrados en forma de globo en la construcción de las llamadas "Casas Igloo". Inventada por Neff y diseñadas por Noyes y Salvadori. El globo inflado sostiene una malla de acero, sobre la cual se aplica a pistola una capa de concreto.

Diámetro 204 m

Cúpulas geodésicas, diseñadas por Fuller, Triángulos y pentágonos usados para obtener una subdivisión en términos de barras de igual longitud

Cúpula de Schwedler Enrejado triangular irregular de nervaduras

En Europa se han construido cúpulas de nervaduras de hasta 90 ó120 m.