UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE HONDURAS EN EL VALLE DE SULA
I N G E N I E R I A CI V I L ASI ASI GNATURA
RESISTENCIA DE MATERIALES II CATEDRATICO
ING. PETER ERIC RITTER ARITA ALUMNO
EDUARDO SALVADOR CANTARERO RODRIGUEZ I NFORME SOBRE OBRE EXPOSI EXPOSI CION DE RESI RESI STENCIA DE M ATERIAL ES I I
NUM ERO DE CUENTA
2012 2002 835 F E C H A D E E N T R E GA GA
DICIEMBRE 2014
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INDICE
1. PRESENTACION…………………………………………………..... 3 2. OBJETIVOS DEL INFORME…………………………………….,.. 4 2.1 Objetivo general 2.2 Objetivos específicos 3. CONCRETO U HORMIGON…………………………………….. .. 5 3.1 Tipos de concreto 4. HIERRO Y ACERO…………………………………………………16 4.1 Tipos de hierro 4.2 Tipos de acero 5. COLUMNAS…………………………………………………………22 5.1 Conceptos generales y características 5.2 Fórmulas para las columnas 5.3 Derivación de las fórmulas de Euler 5.4 Tipos de apoyos en columnas 5.5 Esfuerzos en columnas 5.6 Resumen de Método de análisis de una columna 5.7 Tipos de columna 5.8 Encofrado para columnas 5.9 Pasos para conseguir el encofrado 5.10 Pilotes 5.11 Circulo de Mohr 6. Zapatas ………………………………………………………………..69 6.1 Tipo de zapata 6.2 Comprobación Comprobación al vuelvo y deslizamiento 6.3 Reparto de tensiones 6.4 Calculo de la armadura 6.5 Cimentación por zapatas 7. Anexos……………………………………………………..…….…...85 8. Conclusiones……………………………………………..……..........88 9. Bibliografía …………………………………………….....…………89
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PRESENTACION
El siguiente es un informe sobre los temas más importantes vistos en la clase de resistencia de materiales. A lo largo de la clase (Resistencia de materiales 1 y 2) se han estudiado temas relacionados a los elementos estructurales presentes en una obra de ingeniería. Uno de los primeros temas abordados en la clase fue esfuerzo simple, luego se estudiaron los momentos que se presentan y así una serie de temas relacionados de los cuales los más importantes son abordados en el presente informe. in forme. En el rubro de la construcción se utilizan en gran cantidad tres materiales que son tratados en este informe, el hierro, el acero y el concreto. Así mismo se estudian las columnas que son la base de la clase de resistencia de materiales II, sus fórmulas, fór mulas, sus apoyos, etc. Y por último se estudian las zapatas, otro de los elementos fundamentales en una construcción.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
-Estudiar los más importantes temas visto en la clase, incluyendo sus fórmulas y su aplicación.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
-Estudiar de manera extendida las columnas, los tipos de columnas que hay, sus apoyos, su encofrado, las fórmulas utilizadas en su estudio, etc. -Conocer las características de los materiales más utilizados en el rubro de la construcción, específicamente del concreto, acero y del hierro.
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3. CONCRETO U HORMIGON
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Concreto u Hormigón Probablemente, no hay material que se adapte mejor a las fundaciones, pisos y pavimentos de los sótanos, etc., que el hormigón (o concreto). Existen hoy, en todo el mundo, miles de edificaciones, cuyas estructuras están totalmente construidas de hormigón armado, y el empleo del hormigón de cemento Portland, en una gran variedad de usos. Se puede considerar el hormigón como una piedra artificial, hecha con cemento, agua y lo que se llama un agregado, que suele ser arena en pequeñas y grandes partículas, o cribado y grava o piedra machacada. Cuando se hace con buen cemento Portland, en proporciones convenientes, llega a ser tan duro y resistente que cuando se le rompe, la línea de fractura suele pasar a través de partículas de piedra, lo que demuestra que la adhesión del cemento a la piedra es mayor que la fuerza de cohesión de esta última.
Concreto convencional Es una mezcla de cemento, arena, gravilla, agua y aditivo que posee la cualidad de endurecer con el tiempo, adquiriendo características que lo hacen de uso común en la construcción. En estado fresco posee suficiente tiempo de manejabilidad y excelente cohesividad en estado endurecido. Los materiales y el producto final son controlados y ensayados de acuerdo con las normas NTC y ASTM y el concreto cumple los requerimientos del código Colombiano de Construcciones Sismo-resistentes. Ventajas
El control de calidad de las materias primas, y el producto final es riguroso y con la más moderna tecnología. El producto es totalmente garantizado. Las dosificaciones se realizan por peso, controlando los cambios en agregados por humedad y absorción en plantas totalmente computarizadas. El concreto es mezclado en planta y llega a la obra lista para usar. Se utiliza la más moderna tecnología en la producción y el control de calidad.
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Uso
El concreto convencional tiene una amplia utilización en las estructuras de concreto más comunes. Se emplea para cimentaciones, columnas, placas macizas y aligeradas, muros de contención, etc. Precauciones
Este concreto se especifica para obtener la resistencia de diseño a los 28 días, El momento de descimbrar los elementos debe estar de acuerdo con el criterio del calculista. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño y puede ser perjudicial para la calidad del concreto. El concreto que haya empezado con el proceso de fraguado no debe vibrarse, ni mezclarse, ni utilizarse en caso de demoras en obra. Se debe mantener la superficie húmeda en las primeras horas para evitar retracciones por secado. Todo proceso de curado, especialmente en las primeras edades, trae como consecuencia mayor hidratación del cemento y mejor calidad de su obra. Se deben cumplir estrictamente todas las instrucciones referentes al manejo, protección, curado y control del concreto.
Concreto bombeable Es un concreto con asentamiento de diseño de 4", condición que brinda muy buena manejabilidad, especialmente cohesivo lo cual permite la colocación por medio de un equipo de bombeo. Ventajas
· El control de calidad de las materias primas y del producto final es riguroso y con la más moderna tecnología. · Producto garantizado. · La utilización del equipo de bombeo aumenta ampliamente los rendimientos en la obra. · La mayor manejabilidad permite mejores acabados. · Las dosificaciones se realizan con modernos equipos perfectamente controlados. · El concreto es premezclado y llega a la obra lista para usar. · Permite la colocación del concreto en lugares de difícil acceso, por medio de los equipos de bombeo.
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Uso El concreto bombeable se recomienda en toda ocasión donde se requiera en equipo de bombeo, para mayor facilidad en la colocación y en estructuras esbeltas como columnas y muros de contención. Precaución Este concreto se especifica para obtener la resistencia de diseño a los 28 días. El momento de descimbrar los elementos debe estar de acuerdo con el criterio del calculista. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño y puede ser perjudicial para la calidad del concreto. La presión del bombeo puede dañar las formaletas si no están suficientemente rígidas y soportadas.
Concreto de baja permeabilidad Ventajas · El control de calidad de las materias primas y del producto final es riguroso y con la más moderna tecnología. · El concreto de baja permeabilidad es un concreto con mayores características de durabilidad. · Se recomienda en sitios con condiciones de exposición severas. Uso Tanques, viga-canales, cubiertas, muros de contención y todas aquellas estructuras expuestas al agua. Precauciones Este concreto se especifica para obtener la resistencia de diseño a los 28 días. El momento de descimbrar los elementos debe estar de acuerdo con el criterio del calculista. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño y puede ser perjudicial para la calidad del concreto. Se deben cumplir estrictamente las normas referentes a manejo, protección, curado y control del concreto. Se requiere un manejo especial en la colocación, compactación y curado, para lograr los efectos deseados.
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Concreto de fraguado retardado Ventajas · Producto garantizado. · Mayores tiempos de manejabilidad que permiten la adecuada colocación del concreto. · Reduce la posibilidad de juntas frías. Uso El concreto retardado tiene amplia utilización en casos constructivos especiales, donde deben evitarse juntas frías, donde por dificultad requieran mayores tiempos de manejabilidad, en los que sea conveniente reducir la temperatura generada por calor o en lugares con temperaturas altas. Precauciones Este concreto se especifica para obtener la resistencia de diseño a los 28 días. El momento de descimbrar los elementos debe estar de acuerdo con el criterio del calculista. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño y puede ser perjudicial para la calidad del concreto. Se deben cumplir estrictamente las normas referentes a manejo, protección, y control del concreto.
Concreto de fraguado acelerado Ventajas · El control de calidad de las materias primas y del producto final es riguroso y con la más moderna tecnología. · Es un concreto que permite un rápido acabado y por lo tanto una mayor rotación de formaleta y una disminución de tiempo de obra. · El producto es totalmente garantizado.
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Uso Los concretos de fraguado acelerado son usados en sistemas constructivos que demandan acabados rápidos, pronto desencofrado y mayor utilización de formaleta. De amplia aplicación en el sistema cortina, en el cual se necesita un rápido acabado de placas. En general son muy convenientes en la industria de los prefabricados. Precauciones Este concreto se especifica para obtener la resistencia de diseño a los 28 días. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño. Se debe tener en cuenta que el concreto fraguado acelerado es completamente diferente del concreto de resistencia acelerada, puesto que la evolución de resistencia corresponde a la de un concreto convencional. Se debe tener especial cuidado con las demoras en obra, ya que éste es un concreto con menor tiempo de manejabilidad que el convencional. Se debe prestar atención al curado, especialmente a primeras edades.
Concreto lanzado Es un concreto transportado a través de tubería o manguera, proyectado reumáticamente a gran velocidad sobre una superficie, adhiriéndose perfectamente a ella con una excelente compactación. Ventajas · El control de calidad de las materias primas y del producto final es riguroso y de acuerdo con las normas vigentes exigidas. · Facilita la colocación de la mezcla. · Los desperdicios y el rebote son mínimos y no necesita vibrado ni compactación adicional. · Permite dar el acabado deseado. · Reduce costos de formaleta. · Permite altos rendimientos en mano de obra. · Disminuye los tiempos de ejecución de obras. Uso Estructuras con secciones curvas o alabeadas. Revestimiento de túneles. Recubrimiento de mampostería para protección o acabados. Refuerzos o reparación de estructuras de concreto.
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Estabilización de taludes. Protección del acero estructural. Muros de contención. Canales de agua y cunetas. Tanques de agua y en todas aquellas estructuras que requieran ser construidas o tratadas con concreto lanzado. Precauciones Cuando se necesiten resistencias iniciales altas, consulte nuestro departamento técnico. Si se requiere un afinado especial, se debe proveer del personal adecuado para realizar antes el fraguado del concreto. El material de rebote no se debe volver a usar. Se debe prestar atención al curado, especialmente a primeras edades.
Concreto de alta resistencia Son concretos de resistencias superiores a 350 Kg/cm2 (5.000 PSI).Se especifican con gravilla fina, común y medida; pueden ser bombeados. Ventajas · Permite una mayor rotación de formaletas y menos tiempo de uso. · Se pueden diseñar menos secciones estructurales, con ahorro en áreas de construcción. · Mayor rendimiento en ejecución de obras. · Permite disminuir cuantías de refuerzo en los diseños. · Ideal para sistemas industrializados. · Se especifica para concreto preesforzado. Uso En todas las estructuras donde se requiera obtener alta resistencia a 28 días.
Precauciones Requiere excelentes condiciones de curado. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño, perjudicando la calidad del concreto. El concreto que haya empezado con el proceso de fraguado no debe vibrarse, ni mezclarse, ni utilizarse en caso de demoras en obra. Se deben cumplir estrictamente todas las normas referentes a manejo, protección y control del concreto.
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Concreto de resistencia acelerada Concretos especialmente diseñados y controlados que permiten el desarrollo de las resistencias específicas a temprana edad. Los concretos de resistencia acelerada se especifican con gravilla común, media o fina, además pueden ser bombeados. Ventajas · El control de calidad de las materias primas y del producto final es riguroso y de acuerdo con las normas exigidas vigentes. · Se desarrollan altas resistencias iniciales y finales. · Se requiere menor tiempo para quitar formaletas. · Se puede dar función estructural al elemento en corto tiempo. · Se reduce el tiempo general de obra. · Se disminuyen los tiempos para dar afinado y acabado. · Se incrementan las resistencias a compresión, flexión e impermeabilidad. · El personal puede ser utilizado en otras funciones. Uso Los concretos de resistencia acelerada se recomiendan en aquellos casos donde se requiera poner al servicio una estructura antes del plazo presupuestado. Cualquier elemento estructural puede ser construido con estos concretos a excepción de concretos masivos.
Precauciones No se deben usar los concretos de resistencia acelerada tipo A1, A2 y A3 para estructuras masivas. Los concretos de resistencia acelerada requieren un proceso de curado especial en las primeras horas y días. No se debe confundir el término resistencia acelerada con fraguado acelerado.
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Concreto fibra Es la combinación de mortero o concreto convencional con fibras de polipropileno, que al ser incorporadas le sirven al mortero o concreto como refuerzo interno secundario. Ventajas · Método superior en calidad y beneficios, además de menor costo que la malla metálica. · Actúa como refuerzo tridimensional distribuyendo esfuerzos de tensión, con un sistema bastante superior de diseño que provee una protección automática de alta tecnología. · Disminuye el fisuramiento del concreto (70%) con respecto al concreto sin fibra. · Proporciona mayor durabilidad debido a la reducción de la permeabilidad · Mayor resistencia a la abrasión. · Aumenta la resistencia al impacto. · Soporte y cohesividad al concreto en superficies escarpadas o inclinadas (concreto lanzado). Uso En todos los concretos donde sea importante evitar o reducir fisuramiento, especialmente en: Pavimentos, andenes, tanques, piscinas. Parqueaderos, pisos, plantas industriales, almacenes y bodegas. Canchas de tenis, gimnasios. Recubrimientos inferiores en losas de concreto, elementos prefabricados, Concreto Lanzado.
Precauciones No es sustituto del refuerzo estructural. No previene fisuras ocasionadas por fuerzas externas. Las mejoras ocasionadas al concreto no implican la reducción de especificaciones. No se debe modificar el diseño de juntas en losas. El concreto se especifica para obtener la resistencia a los 28 días. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño y puede ser perjudicial para la calidad del concreto. Se deben cumplir estrictamente todas las normas referentes a manejo, protección, curado y control del concreto.
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Grouting Es un concreto fluido con agregado fino diseñado especialmente para ser colocado en elementos de secciones reducidas, esbeltos o altamente reforzados donde la compactación o vibrado se hace más difícil. Ventajas · Es un concreto fácil de colocar. · Permite excelentes condiciones de acabado. · Tiene alta manejabilidad sin perder cohesión. · Su alta manejabilidad permite colocar fácilmente un elemento altamente reforzado. · El control de calidad de las materias primas y del producto final es riguroso con la más moderna tecnología. Uso Rellenos de celdas en mampostería estructural y elementos con altos contenidos de refuerzos. Precauciones El concreto se especifica para obtener la resistencia a los 28 días. Cualquier adición de agua, cemento o aditivo en obra alterará su diseño y puede ser perjudicial para la calidad del concreto. Se deben cumplir estrictamente todas las normas referentes a manejo, protección, curado y control del concreto.
Hormigón impermeable Se recomienda muchos procedimientos para hacer el hormigón impermeable al agua en condiciones normales y también en ciertas condiciones de presión a que tiene que estar sometido en presas, embalses y conducciones de varias clases. Sin embargo, la experiencia enseña que si el hormigón tiene las proporciones debidas para obtener la densidad máxima posible con una baja relación entre agua y cemento y está bien curado, la obra que resulta es impermeable con presiones moderadas.
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Concreto reforzado Al reforzar el concreto con acero en forma de varillas o mallas, se forma el llamado concreto armado o reforzado; el cual se utiliza para dar nombre a sistemas estructurales como: vigas o trabes, losas, cimientos, columnas, muros de retención, ménsulas, etc. La elaboración de elementos de concreto preesforzado, que a su vez pueden ser pretensados y postensados. Es el más popular y desarrollado de estos materiales, ya que aprovecha en forma muy eficiente las características de buena resistencia en compresión, durabilidad, resistencia al fuego y maleabilidad del concreto, junto con las de alta resistencia en tensión y ductilidad del acero, para formar un material compuesto que reúne muchas de las ventajas de ambos materiales componentes.
Concreto ciclópeo Es el concreto simple en cuya masa se incorporan grandes piedras; y que no contiene armadura. La piedra será limpia, durable, libre de fracturas y no meteorizada ni sucia. Tendrá un tamaño entre 15 y 30 cm y se someterá a las especificaciones del agregado grueso, salvo en lo que se refiere a la gradación. Todas y cada una de las piedras deberán quedar totalmente rodeadas de concreto sin que la distancia mínima entre dos piedras o las piedras y la cara del bloque de concreto sea menor de 10 cm. Las piedras deben quedar perfectamente acomodadas dentro de la masa de concreto y colocadas en ésta con cuidado. Ninguna piedra puede quedar pegada a la formaleta ni a otra piedra.
Concreto poroso Por su especial diseño de mezcla, el concreto poroso es un material sumamente permeable que permite que el agua, particularmente las aguas pluviales, se filtren por él, lo que reduce las inundaciones y la concentración calorífico por hasta 4° C, y ayuda a evitar los derrapes en los caminos mojados. Este concreto idealmente se usa en estacionamientos, andadores y orillas de alberca.
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4. HIERRO Y ACERO
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Hierro Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante; y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo, se concentra la mayor masa de hierro nativo equivalente a un 70%. Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.
Hierro dulce o pudelado. Es una mezcla de hierro puro y escoria, en la proporción de 96% de hierro y 3% de escoria con 0.50 a 0.75% de otros elementos, como el carbono, fosforo, azufre y manganeso. Se fabrica con chatarra y óxido de hierro, en horno de reverbero o de pudelado. En las distintas etapas de la fabricación se van quitando las impurezas al hierro; sílice y el manganeso, durante el periodo de baja fusión; parte del fosforo y azufre, durante el de afino, y el carbono, con lo que resta de fosforo y azufre, se eliminan durante la ebullición. El hierro queda entonces en un estado pastoso apropiado para batirle y dividirle en bolas de unos 36Kg cada una, que se cinglan o forjan para quitar de la masa la mayor parte de la escoria.
Hierro fundido. Se define como una solución saturada de carbono en hierro, con una proporción del primero que varía de 1.5 a 4%, según la cantidad de otras impurezas que contenga. Es duro, frágil, no maleable y muy fluido en estado de fusión, lo que hace que sea apropiado para el moldeo de formas complejas.
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Acero Este material es una combinación de hierro y carbono con pequeñas cantidades de otros elementos, como manganeso, fosforo, azufre, silicio, etc. La proporción de carbono determina la dureza y resistencia del acero. Los aceros dulces, que tienen la mayor parte de las características del hierro dulce o pudelado, contienen menos de 0.10% de carbono, y los aceros con más de 0.40% de carbono, se pueden templar, no se sueldan bien y son mucho más resistentes. El manganeso interviene en el afino durante el proceso de fabricación y aumenta la facilidad de la forja del acero. El fosforo y el azufre son perjudiciales; el primero hace que el acero sea quebradizo bajo una carga repentina y el azufre le hace poco resistente o frágil cuando se calienta. El Acero ofrece diferentes resultados en función de la presencia o ausencia de otros metales: la adición de manganeso le confiere una mayor resistencia frente al impacto, el tungsteno, le permite soportar temperaturas más altas. Elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Los efectos de la aleación son:
• Mayor resistencia y dureza • Mayor resistencia al impacto • Mayor resistencia al desgaste • Mayor resistencia a la corrosión • Mayor resistencia a altas temperaturas • Penetración de Temple (Aumento de la profundid ad a la cual el Acero puede ser endurecido) En aleación con:
• Aluminio: Actúa como desoxidante para el Acero Fundido y produce un Acero de Grano Fino.
• Azufre: Normalmen te es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros de aleación y al carbono.
• Boro: Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido).
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• Cromo: Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la r esistencia al desgaste y corrosión.
• Cobre: Mejora la resistencia a la corrosión. • Manganeso: Elemento básico en todos los aceros comerciales. Actúa como un desoxidante y también neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza.
• Molibdeno: Mejora las propiedades del tratamiento térmico. Aumenta también la dureza y resistencia a altas temperaturas. • Níquel: Mejora las propiedades del tratamiento térmi co reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. Al emplearse conjuntamente con el Cromo, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste.
• Silicio: Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de aleación. Titanio: Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas.
• Tungsteno: Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas, impartiéndoles una gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas. • Vanadio: Imparte dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia al impacto (resistencia a las fracturas por impacto) y a la fatiga.
Tipos de Aceros Acero corrugado Barra de Acero cuya superficie presenta resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón, que forman estructuras de hormigón armado.
Acero Galvanizado El Acero Galvanizado por inmersión en caliente es un producto que combina las características de resistencia mecánica del Acero y la resistencia a la corrosión generada por el Cinc. Propiedades del Acero Galvanizado:
• Resistencia a la abrasión • Resistencia a la corrosión
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Las principales ventajas de los recubrimientos galvanizados en caliente pueden resumirse en los siguientes puntos: • Duración excepcional
• Resistencia mecánica elevada • Protección integral de las piezas (interior y exteriormente) • Triple protección: barrera física, protección electroquímica y auto curado • Ausencia de mantenimiento • Fácil de pintar Acero inoxidable Se denomina Acero Inoxidable a cualquier tipo de Acero aleado cuyo peso contenga como mínimo 10,50 % de Cromo, pero no más de 1,20 % de Carbono, con cualquier otro elemento de aleación o sin él. El Acero Inoxidable contiene cromo, níquel y otros elementos de aleación, que lo mantienen brillantes y resistente a la corrosión a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases. Algunos Aceros Inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a su superficie brillante, en arquitectura se emplea muchas veces con fines decorativos. En cocinas y zonas de preparación de alimentos el revestimiento es a menudo de Acero Inoxidable, ya que puede limpiarse con facilidad.
Acero al carbono Acero constituido por un mínimo no especificado de elementos de aleación; el aumento de la proporción de carbono reduce su ductilidad y soldabilidad aunque aumenta su resistencia.
Acero dulce Tipo de acero cuyos niveles de carbono se sitúan entre el 0,15% y el 0,25%; es casi hierro puro, de gran ductilidad y resistencia a la corrosión.
Acero efervescente Acero que no ha sido desoxidado por completo antes de ser vertido en moldes; contiene muchas sopladuras pero no aparecen grietas. Contenido de carbono, inferior al 0,3%. El acero en estado líquido absorbe gases del aire cuando es transportado en cuchara y también durante la colada. El carbono, el nitrógeno, y el hidrógeno se disuelven en el acero líquido atómicamente. Ese caldo se encuentra en equilibrio químico.
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Durante el período de solidificación, disminuye la capacidad de disolución del material colado. Entonces se produce el desprendimiento de gases, y al reaccionar el óxido de hierro con el carbono, se liberan grandes cantidades de gas. El acero efervescente se emplea para grandes requisitos superficiales; suele usarse en perfiles, chapas finas y alambres.
Acero estirado en frio Acero sometido a un tratamiento especial mediante el cual se ha mejorado su límite elástico.
Acero estructural Acero laminado en caliente y moldeado en frío; se lo usa como elemento portante.
Acero suave Tipo de acero cuyos niveles de carbono se sitúan entre el 0,15% y el 0,25%; es casi hierro puro, de gran ductilidad y resistencia a la corrosión.
Acero negro Hierro sin tratamiento, es el que sale directamente de las fundiciones. El acero negro tiene un contenido bajo de carbono y ningún tratamiento superficial adicional. Por ello, el proceso de fabricación final y la ausencia de tratamiento hacen que se oscurezca la superficie, por la fina capa de carbono que cubre el material. Acero negro es el nombre vulgar, y no es una clasificación en sí.
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5. COLUMNAS
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Conceptos generales y características Las columnas son piezas sujetas a la compresión. Las piezas de estructuras sujetas a compresión reciben el nombre de columnas, postes o puntales. La carga admisible o fatiga de trabajo que puede soportar una columna depende de su material, del área de su sección transversal y de la relación entre su altura y su mínima dimensión transversal. El grado de esbeltez de una columna, L/r, es el cociente entre su longitud entre puntos de apoyo lateral consecutivos y el radio de giro mínimo de la sección transversal de la columna, con respecto al eje centroidal alrededor del cual puede subir una flexión lateral o pandeo. El radio de giro es igual al a raíz cuadrada del cociente de dividir el momento de inercia de una sección transversal de la columna con relación a un eje centroidal alrededor del cual puede sufrir pandeo la columna, por el área de la sección transversal de la misma. Un elemento sujeto a la compresión cuya relación L/r es menor que 30, aproximadamente, recibe el nombre de columna corta, y cuando la relación citada es mayor que 150, se denomina columna larga, y la relación citada para las columnas que en la práctica se emplea en la construcción de edificios, está comprendida entre dichos límites. Columnas cortas (L/r menor que 30, aproximadamente). Estas columnas se rompen bajo una carga axial que produce un esfuerzo unitario casi constante y que corresponde al punto crítico de elasticidad o limite aparente de elasticidad, para los materiales dúctiles, como el acero o el hierro dulce o pudelado o a la resistencia a la ruptura por compresión para materiales frágiles, como el hormigón, fundición o madera. La carga crítica a la que se rompe una columna corta depende solamente del área de su sección transversal y de la resistencia de su material. Columnas largas (L/r mayor que 150, aproximadamente). Este género de columnas falla por pandeo bajo una carga critica que uniformemente distribuida sobre su sección transversal no esforzaría el material hasta su punto crítico o su resistencia a la ruptura por compresión. La carga crítica para una columna larga depende de su rigidez, longitud y condiciones de apoyo lateral en los extremos o a lo largo de la columna. Cuando se alcanza la carga critica, la columna queda en equilibrio inestable y el más pequeño desplazamiento lateral del eje aumentara progresivamente hasta que el material falle en alguno de sus puntos, por los esfuerzos combinados de compresión y flexión.
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Columnas para edificios. Estas columnas tienen un grado de esbeltez que rara vez es menor de 30 y que nunca debe ser mayor de 120. Si se clasifican con arreglo a sus proporciones, las columnas para edificios componen una serie, que va desde las columnas cortas a las largas y algunos de cutos tipos pueden tener las características de unas y otras. Las columnas pueden fallar por compresión directa del material, si tienen las características de las columnas cortas, y por flexión lateral o pandeo cuando son del tipo de columnas largas o por un defecto local, seguido de pandeo.
Fórmulas para las columnas Las fórmulas para las columnas dan la relación entre el grado de esbeltez, L/r, de una columna para cierto material y el esfuerzo unitario de trabajo admisible, o la carga axial de ruptura, o el esfuerzo unitario en la fibra que puede producir la ruptura. Fórmulas para columnas cortas. La carga de seguridad en una columna cuya relación L/r no sea mayor de 30, se puede calcular por medio de la fórmula:
Los valores del esfuerzo de seguridad de trabajo f, para distintos materiales, son los del a tabla I, que también da los valores para los esfuerzos en la fibra, fu, que puede producir la ruptura en las columnas cortas con cargas axiales. Para determinar la carga critica en kilogramos que, por término medio, pueda producir la ruptura en una columna corta de un material determinado, se multiplica el área de la sección transversal de la columna en centímetros cuadrados por el esfuerzo de ruptura de la fibra, que se encontrara en la tabla I.
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Tabla I
*Los esfuerzos de trabajo para columnas de madera son para piezas cuya longitud no excede de 10 veces su ancho mínimo.
Fórmulas para columnas largas. Estas fórmulas para las columnas que se rompen exclusivamente por pandeo se llaman fórmulas de Euler. En los proyectos de estructuras, se emplean estas fórmulas solamente para columnas de madera cuya longitud es de más de 25 veces el ancho menor o alrededor de 80 veces el radio mínimo de giro.
Fórmulas para columnas de edificios. El grado de esbeltez de las columnas, L/r, rara vez es menor de 30, y los reglamentos de construcción limitan, generalmente, su valor máximo a 120, para piezas principales trabajando por compresión. Las piezas de acero secundarias, trabajando por compresión, y aquellas en que actúan cargas debidas al viento solamente, tienen, algunas veces, un grado de esbeltez hasta de 200, pero este es aproximadamente el valor máximo que se admite en los reglamentos vigentes y en las especificaciones.
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No hay una teoría para determinar la resistencia a la ruptura de las columnas de edificios, basándose en las propiedades físicas o elásticas del material de que se construyen, y la relación entre la resistencia de las columnas y su grado de esbeltez dentro del intervalo mencionado para este, es realmente una regla empírica fundada en ensayos de columnas en el laboratorio. Los resultados de los ensayos de laboratorio en columnas de tamaño natural están aún lejos de ser satisfactorios para determinar, con precisión razonable, una relación entre el grado de esbeltez y la resistencia a la ruptura o la resistencia del trabajo admisible de la columna. Formulas de la línea recta. recta . Estas fórmulas son las más sencillas de todas las fórmulas para columnas. Una curva cualquiera se puede substituir, dentro de límites razonables de una de las variables, por una línea recta que sea casi equivalente a la curva. Si la curva fuese una gola o una gola reversa análoga a la que representan las formulas de la secante o la de Rankine, casi se puede substituir por una recta dentro de límites muy amplios de una de las variables. Las formulas de la línea recta para columnas no se basan en consideraciones teóricas, pero sería difícil encontrar ningún argumento, dentro de una selección apropiada del grado de esbeltez, para demostrar que están más en desacuerdo que otras con los resultados que han dado los ensayos. Fórmulas de Rankine para columnas. Estas fórmulas se fundan en las consideraciones casi teóricas que siguen. Una columna con carga axial, que primitivamente fue recta, se flexa lateralmente bajo la carga, como se ve en la figura. Los esfuerzos en las fibras más exteriores de la columna, sobre su lado cóncavo, se componen de esfuerzos directos, P/A, y esfuerzos de flexión Pyc/I, en que:
transversal de la columna; columna; A= área de la sección transversal P = carga axial; y = flecha del eje de la columna, desde su posición inicial; c = distancia desde el eje neutro, a la fibra más exterior, I = momento de inercia de la sección transversal de la columna con relación al eje alrededor del cual flexiona la misma.
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El esfuerzo en la fibra será máximo en la sección que corresponde a la flecha máxima (suponiendo que la sección transversal de la columna no varíe en toda su longitud), y dicho esfuerzo será:
fmax = P/A + P*Ymax*(c/I) y como I = Ar², suponiendo que r sea el radio de giro de la superficie,
fmax = P/A(1+Ymax*(c/r2)) Esta formulase puede expresar también:
en que k es una constante que se determina empíricamente por medio de ensayos. Formula de secante. Esta fórmula ha sido muy útil para la interpretación de ciertos datos de ensayos en columnas de acero y hierro dulce y se basa en los supuestos de que la carga tiene excentricidad conocida, e, en los extremos de la columna, que esta tiene la misma sección transversal en toda su longitud y que no hay ningún apoyo lateral en los extremos ni en ningún punto de la longitud de la pieza. En estas condiciones, el esfuerzo máximo en la fibra de la parte cóncava será:
y como el ultimo termino entre paréntesis se anula para una carga axial P, por ser e, en este caso, cero, se supone una pequeña excentricidad inicial arbitraria que aumenta el factor ec/r2 en 0.3, por ejemplo, con lo que la fórmula de la secante queda en la siguiente forma
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Formula parabólica. Esta fórmula es del tipo:
Y es completamente empírica. Este tipo no se especifica generalmente, en la actualidad, en los proyectos de columnas para construcciones. Derivación de las fórmulas de Euler
En este casi L es la longitud de la columna y L/K se conoce como la relación de esbeltez.
Límite de validez para la fórmula de Euler
donde c es una constante que depende de la condición en los extremos de la columna.
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Formula de columnas con curvatura inicial
donde Co es la deflexión máx. central inicial y h es la distancia de la fibra con mayor deformación al eje neutro.
Tipos de apoyo de las columnas
Articulado – Articulado
Empotrado – Empotrado
Empotrado – Libre
Empotrado – Articulado
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Esfuerzos en columnas Esfuerzo axial y deformación Bien primero definiremos el primer tipo de esfuerzo el esfuerzo axial. Este es fuerzo generado por una fuerza aplicada de una forma perpendicular al área y directamente en el centroide de dicha área genera un esfuerzo axial; que normalmente vendrá acompañado de deformaciones en la longitud del elemento en estudio. Dicho de otra manera es el generado por las fuerzas axiales a la que se somete un elemento. Ahora en un elemento supongamos que no es netamente solido sino que esta forma por hileras en conjuntos. Ahora una fuerza total aplicada axialmente se dividiría entre cada uno de estos hilos que opondría una resistencia o una fuerza igual y opuesta. Ahora la intensidad de fuerza que se es aplicada que soporta estas hileras en teoría recibe el nombre de esfuerzo.
Definido: σ=PA Donde P es la presión ejercida sobre el elemento y A es el área sobre la cual actúa la presión o carga. A lo anterior es lo que se le llama esfuerzo unitario. Y este es nuestro objeto de estudio a lo largo de este trabajo. Las unidades del esfuerzo unitario pueden ser: Pa=N/m²; Psi=lb/pulg² En el sistema ingles se utilizan los psi. Y el sistema internacional utiliza los pascales (Pa). Bien ahora como dijimos este tipo de esfuerzo conlleva a que el elemento sea sometido a una tensión o compresión y por consiguiente cause una deformación. Esta deformación es igual al cambio total de la longitud del miembro. Esta deformación también conocida como elongación o contracciones y lo llamaremos deformación unitaria por unidad de longitud. Esta es igual a:
ϵ=δL Donde es ϵ es igual a la deformación unitario por unidad de longitud, δ es igual a la deformación total y L representa la longitud total del elemento. Como veremos este será adimensional o en teoría pulg/pulg o m/m.
Elasticidad Elasticidad es un concepto de suma importancia en la mecánica de materiales. La gente ha adoptado un concepto equivoco de lo que elasticidad significa entiendo por ello aquel elemento que puede alargarse grandes distancias sin romperse, aclararemos esos pensamientos erróneos. Elasticidad es la propiedad que hace que un cuerpo que ha sido deformado pueda regresar a su forma original después de remover las fuerzas que han causado su deformación. 30
Deformación Ahora denotaremos la relación que existe entre el esfuerzo axial y la deformación. Ya definimos anteriormente lo que era cada concepto lo que nos permite proseguir y establecer una relación en común. Sin embargo para ello debemos conocer algo que se conoce como módulo de elasticidad o módulo de Young al que se le determinara con el símbolo E. Este lo consideraremos como un valor constante pues para la mayoría de los materiales ya está determinado. Utilizando el módulo de elasticidad en la ley de Hooke.
σ=Eϵ Calculando la deformación Si un miembro es sometido a una fuerza exterior axial, por ello el miembro se deformara. Se supone que la deformación es directamente proporcional a la carga P y una longitud L, e inversamente proporcional al área ya que entre más área exista, habrán más fibras que trataran de evitar la deformación. δ=PL/AE
Esfuerzo cortante promedio
El esfuerzo cortante está definido como el esfuerzo causado en un miembro por dos fuerzas y opuestas que son paralelas a un área resistente. Esto al igual que el esfuerzo axial causara una deformación del material y se podría llegar al punto de hacer que el elemento falle. A esto se le llama esfuerzo cortante promedio. Ƭ=V/A Donde τ es el esfuerzo cortante promedio, V es la fuerza cortante interna del elemento y A es el área que se opone al corte. A este esfuerzo cortante también se le conoce como cortante simple o cortante directo pues más adelante veremos que existen otros tipos de esfuerzos cortantes. Este esfuerzo podremos observarlo en lo que son pernos o conexiones entre los elementos de una armadura, incluso en soldaduras. Bien los cortantes los podemos dividir en cortante simple o cortante doble. Ambos cortantes merecen diferente tratamiento.
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El cortante simple. Supongamos que tenemos dos láminas de acero unidas en cierta sección por un perno. Y aplicamos dos fuerzas opuestas e iguales. Una en cada lámina. Esto ocasionara que se produzca un esfuerzo cortante en lo que es el perno. Y el cortante o V será directamente la fuerza que es aplicada a cada lamina. Y el área resistente a corte será la del perno. El cortante doble. Supongamos que ahora no son 2 láminas sino 3 unidas por un perno en cierta sección. Ahora aplicamos una fuerza a la lámina central y a las otras dos láminas aplicamos la mitad de la fuerza aplicada a la lámina central en dirección opuesta a la primera. Esto nos lleva a que siempre existirá cortante sin embargo ahora existirán dos áreas de corte y la fuerza no será la fuerza aplicada directamente a la lámina central sino la mitad de este. Esfuerzo Torsional Ya conociendo lo que esfuerzo significa explicaremos lo que esfuerzo torsional significa. El esfuerzo torsional es un tipo de esfuerzo cortante sin embargo esto no es causado por una fuerza directamente aplicada al área, sino por un par de torsión y la reacción a este par de torsión. Aunque este par de torsión puede ser aplicado directamente o también por dos fuerzas en los extremos a una distancia determinada. Para investigar la torsión en los ejes, debemos conocer la relación entre el par aplicado y los esfuerzos internos producidos por ese par. Para establecer esa relación se hacen las siguientes superposiciones: 1. Una sección de flecha que es una plana antes de la torsión permanece plana después de la torsión. Esto significa que una sección transversal de la flecha no se alabea después de la carga. 2. El diámetro de la flecha no cambia durante la carga. 3. Los esfuerzos están en el rango elástico. Es decir, los esfuerzos están debajo del límite de proporcionalidad cortante, y se aplica a la Ley de Hooke. 4. Las deformaciones por cortante varían linealmente desde cero en el eje del miembro, hasta un máximo en las fibras externas. Ya que las deformaciones por cortante varían proporcionalmente a la distancia del eje, los esfuerzos cortantes deben tener la misma relación (Ley de Hooke). Debemos determinar la relación entre estos esfuerzos máximos y el parte que lo produce. Su dedicación tomara la siguiente forma: 1. Se determina la fuerza total que actúa en un anillo localizado a una distancia general ρ a partir del eje. Esta fuerza se expresara en términos del esfuerzo cortante máximo en las fibras exteriores.
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2. En seguida se determina el momento de esta fuerza con respecto al centro del miembro. 3. Finalmente, se suman los momentos producidos por todos los anillos delgados concéntricos en el eje. La suma de estos momentos es el par interno total de este. Las fuerzas cortantes que actúan sobre los pequeños bloques, tienen todas las mismas magnitudes, ya que están a la misma distancia del eje del árbol. Además, tienen el mismo sentido de rotación. Por consiguiente, todas las fuerzas en cualquier anillo pueden combinarse y tratarse como una sola fuerza. Al final podemos llegar a la conclusión de que: Ƭ=Tc/J Donde τ es el máximo esfuerzo cortante en el eje, T es el par de torsión interno, c es el radio del elemento en estudio y J es el momento polar de inercia de la sección circular.
Esfuerzo cortante y deformación Al igual que en casos anteriores dicho esfuerzo producirá una deformación. La deformación en este caso forma lo que se llama ángulo de torsión. El máximo esfuerzo cortante en una flecha sujeta a torsión lo podemos determinar a partir de Ƭ=Tc/J. El par aplicado también hace que el eje se empiece a torcer. Mucha maquinaria se diseña de la forma que no pueda deformarse demasiado, en otras palabras que no se tuerzan mucho. Para la construcción de dichas piezas se necesita que el ángulo de torsión no sobrepase ciertos límites. El ángulo de torsión es el ángulo de rotación de la sección y es el ángulo en los extremos. El ángulo de torsión lo podemos deducirlo de la siguiente manera:
θ=TL/JG
Donde θ es el ángulo de torsión en radianes, T es el pa r de torsión, L la longitud del soporte hasta el punto donde es aplicado el par de torsión, G es el módulo de elasticidad y J el momento polar de inercia.
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Concentración de esfuerzos
La forma de torsión Ƭ=Tc/J puede aplicar a regiones de una flecha que tenga una sección transversal circular constante o con un ligero ahusamiento. Cuando se presentan cambios bruscos en la sección transversal, tanto en la distribución de esfuerzo cortante como la distribución de deformación cortante en la flecha se vuelven complejas y pueden obtenerse solo por el uso de métodos experimentales o por análisis matemáticas relacionados con la elasticidad. Para eliminar la necesidad de hacer un análisis experimental, el esfuerzo cortante máximo puede determinarse para una geometría especificada usando un factor de concentración de esfuerzos torsionales, K es por lo regular tomado de una gráfica.
Esfuerzo flexionante Existen diversos elementos que son indispensables en el diseño de estructuras. Ahora analizaremos los esfuerzos en vigas, para ello es necesario poder graficar los diagramas de cortante y de momento. Estos factores están muy relacionados con la capacidad de soportar carga de la viga y con la distribución de sus esfuerzos internos. Ya con ello es mucho más simple poder identificar los esfuerzos que actúan. Las propiedades geométricas de la viga también tienen mucha influencia en este tipo de esfuerzo. Entonces podemos decir que estos dos factores son los determinantes en los esfuerzos de flexión. La teoría de la flexión supone que la línea de acción de las fuerzas aplicadas y la forma geométrica de la sección transversal de una viga ase adaptan a ciertas condiciones. Para describir la acción de los esfuerzos de flexión, consideremos una viga sujeta a flexión pura y supongamos que la viga está formada por una gran cantidad de fibras longitudinales. Cuando dicha viga se somete a flexión en momento positivo, las fibras de la parte superior se comprimen mientras que las de la parte inferior se tensionan, obviamente existirá un punto donde sucederá la transición de compresión a tensión, ese punto o eje se conoce como eje neutro y está ubicado en el centroide de la sección transversal. En una sección transversal simétrica las fuerzas de compresión y tensión son iguales y forman el momento resistente interno de la viga. La carga transversal de una viga puede consistir en cargas concentradas. Las vigas se clasifican de acuerdo con la manera en la que se encuentran apoyadas. Existen diversos tipos de vigas entre ellas consideremos una de las más simples un viga simplemente soportada.
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Los soportes producen una reacción a una carga que es aplicada en cualquier otro punto de la viga. Lo que nos interesa conocer es que datos necesitamos para calcular el esfuerzo de la viga. Como comentamos antes existen dos tipos de esfuerzos generados por flexión: el esfuerzo cortante y el esfuerzo máximo. Para ello debemos conocer el cortante y momento máximo a lo largo de toda la viga; para ello trazamos los diagramas de cortante y de momento. Ahora cuando tenemos ambos diagramas seleccionamos el momento con mayor valor absoluto y el cortante con mayor valor absoluto y aplicamos las formulas.
σ=-My/I τ=VQ/Ib Donde σ es el esfuerzo de tensión o compresión, Y e s la distancia del centroide al extremo de la viga ya sea superior o inferior, I es el momento de inercia de la sección transversal de la viga. Para τ es el momento cortante, V es el esfuerzo cortante, I es el momento de inercia y b es la base que coincide con el área en la que estamos analizando el cortante. También podemos escribir la ecuación σ=-My/I como σ=-MS donde S es el módulo de sección, que es equivalente a la inercia sobre la distancia del área en estudio al centroide de la sección transversal. Los tipos de esfuerzos que hemos mencionado antes solo entienden la resistencia de un material para soportar una carga sin llegar a esfuerzos excesivos y la capacidad de un material para soportar carga sin llegar a sufrir deformaciones inaceptables. Ahora se analizara la estabilidad de la estructura o sea la capacidad de soportar una carga sin sufrir cambios bruscos en su configuración. El análisis se refiere más principalmente a columnas, en otras palabras elementos estructurales en posición vertical que soportan cargas axiales. Una columna es un miembro que soporta una carga de compresión axial. Esta carga puede ser concéntrica o excéntrica. A medida que aumenta la longitud de la columna, se reduce su capacidad de soportar carga. Esta reducción está basada más en el tipo de falla que ocurrirá, que en el esfuerzo. Siendo las columnas elementos largos que soportan una gran carga en compresión, fallaría porque se presentaría repentinamente una gran deflexión lateral. Esta deflexión también llamada pandeo, que es causado por la inestabilidad de la barra cuando se alcanza una cierta carga critica.
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Formula de Euler para columnas La base de la teoría de las columnas es la fórmula de Euler, que fue publicada por Leonardo Euler, un matemático suizo. La fórmula solamente es válida para columnas largas, calculo lo que es conocido como carga critica de pandeo. Esta es la carga última que puede ser soportada por columnas largas; es decir, la carga presente en el instante de colapso. Supongamos una viga soportada en sus extremos por dos articulaciones y sometida a una carga axial. Supongamos que esta columna inicialmente es recta, homogénea y de sección transversal constante en toda su longitud. También debe suponerse que el material de que está hecha la columna se comporta elásticamente. En otras palabras que aplica la Ley de Hooke y los esfuerzos son inferiores al límite del material. Cuando se intenta determinar la carga de pandeo de una columna uno debe de tomar en cuenta que una columna cargada críticamente puede tener dos posiciones de equilibrio, una de ellas es cuando la columna está en una posición recta y otra es una posición ligeramente deformada. Ahora supongamos que se aplica una fuerza lateral, la barra se deformara lateralmente en una pequeña cantidad. Si se quita la barra regresara a su configuración recta. Sin embargo, la barra no regresara a su posición original cuando la carga axial sea de un valor particular, llamada carga crítica. Se obtiene la carga crítica de pandeo para una columna, considerando a la barra en la configuración flexionada de equilibrio neutro. El momento flexionante siendo la carga axial una fuerza P.
M=-Py Donde y es la distancia lateral que se desplazó la columna. Se usa el signo menos debido a los ejes coordenados que se eligen. La ecuación define la curva de elasticidad de la viga d^2y/dx^2=M/EI. Usando esta expresión podemos obtener ecuaciones:
d2y/dx2=MEI=-PyEI Hagamos k2=P/EI; podremos entonces escribir:
d2ydx2+k2y=0 Resolviendo esta ecuación diferencial, obtendremos
y=Acoskx+Bsenkx Luego de hacer algunas sustituciones y de resolver todas las ecuaciones llegamos a:
P=n2π2EIL2 36
El termino n describe los distintos modos de pandeo. Para la mayoría de los casos prácticos el primer modo de pandeo n=1 producirá la falla, y al menos que se encuentren características especiales de construcción, el pandeo ocurrirá.
P=π2EIL2
En la deducción se utiliza la ecuación σ=My /I, ya que estaba incluida en la deducción. Por consiguiente, cualesquiera suposiciones hechas en las deducciones de σ=My/I o d2ydx2=MEI son también suposiciones en la deducción de la ecuación de Euler.
Estabilidad de estructuras Supongamos que debemos diseñar una columna de Longitud L. para soportar una carga determinada. Ahora la carga esta aplicada directamente en el centroide de la sección de la viga y como es axial en uno de sus extremos. Ahora el esfuerzo que experimenta dicho elemento está dentro de las aceptaciones del esfuerzo permisible y por lo tanto las deformaciones que sufre el material también cumplen con las condiciones. Sin embargo puede llegar a ocurrir que al aplicar una carga la columna llegue a pandearse, en lugar de conservarse recta. Esto nos lleva a concluir que la columna está mal diseñada. Ahora consideremos un ejemplo simple supongamos que tenemos dos barras que están conectadas por una bisagra y en el mismo punto existe un resorte. Estas barras están sometidas a fuerzas iguales y opuestas. Ahora supongamos que en la bisagra se le aplica una fuerza horizontal que provoca el desplazamiento del mismo en forma vertical lo que llevara a formar un ángulo. Para determinar si el diseño volverá a su forma original es necesario calcular el momento producido en ese punto que se ha desplazado y si este es mayor que el momento que producen las fuerzas, el sistema regresara a su forma original de lo contrario diremos que el sistema es inestable. Este sistema produce un momento causado por las fuerzas y otro causado por el resorte que al haberse desplazado en dos ángulos aplicaría la ley de Hooke. El valor de la carga para el cual los dos valores son iguales se denomina carga crítica y se representa con PCR y se tiene que:
PcrL2sen Δθ=K (2Δθ) Donde sabemos que L es la longitud total del sistema, K es una constante que depende del resorte y θ es el ángulo que se desplaza cada sección del elemento. Y asumimos por aproximación que sen Δθ=Δθ, entonces
Pcr=4K/L
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Entonces decimos que si P es menor que Pcr entonces se dice que el sistema es estable de caso contrario el sistema es inestable. Lo que quiere decir que si la carga critica es mayor que la aplicada el sistema retornara a su forma original. Siendo inestable el sistema perturbado conservara la deformación y adquirirá un nuevo punto de equilibrio. Y considerando el equilibrio del sistema se obtiene la ecuación P4K=θSEN θ
El valor θ corresponde a la posición de equilibrio, y se obtiene resolviendo mediante prueba y error. Sin embargo para cada ángulo positivo se obtiene que Senθ<θ. Así la ecuación da un valor de θ diferente de cero solo cuando el miembro izquierdo es mayor que uno.
Columnas con cargas axiales. Si una soporta una carga axial, es decir, si la resultante de la carga coincide con el eje de la columna, se halla el esfuerzo en la fibra, en kilogramos por centímetro cuadrado, dividiendo la carga axial P, en kilogramos, por el área de la sección transversal A, en centímetros cuadrados. La fórmula será:
Columnas cargadas excéntricamente. Si la resultante de la carga que actúa sobre una columna no coincide con el eje de la misma, la columna pandeara ligeramente y la carga recibe el nombre de carga excéntrica. Las vigas sencillas y maestras que se apoyan en el patín o en el alma de una columna, dan origen a cargas excéntricas en la misma, pero en las estructuras de acero, esta excentricidad de la carga no se tiene generalmente en cuenta. Las cargas de los carriles o guías de grúas u otras cargas pesadas, que actúan sobre ménsulas unidas a una columna, son excéntricas, y esta excentricidad hay que tenerla en cuenta, al calcular el esfuerzo máximo en las fibras.
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Esfuerzo combinados Flexión y axial
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Longitud efectiva 1) Columnas con extremos de pasador Le = KL = 1.0 (L) = L 2) Columnas con extremos fijos Le = KL = 0.65L 3) Columnas con extremos libres Le = KL = 2.10L 4) Columnas con extremos de pasadores fijos y el otro libre Le = KL = 0.80L.
Formula de Euler para columnas largas. Para columnas largas cuya razón de esbeltez es mucho mayor que el valor de transición
Si la razón de esbeltez efectiva real Le/r >Ce, entonces la columna es larga y el análisis de la columna se debe usar la fórmula de Euler.
Si la razón real es menor, Le/r < Ce; entonces la columna es corta, por lo tanto se usara la fórmula de J.P. Johnson
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Si la razón de Le/r de una columna es menor que el Ce, la fórmula de Euler predice una carga critica exorbitante entonces en este caso es recomendable usar la fórmula de J.P Johnson. Esta es una fórmula de un conjunto de ecuaciones llamada ecuaciones parabólicas y concuerdan perfectamente bien, con el comportamiento de la columna de acero típica. La fórmula de J.P. Johnson da el mismo resultado que la fórmula de Euler de la carga critica a la razón de esbeltez de transición Ce, entonces en el caso de columnas muy cortas la carga critica se aproxima a la pronosticada por la ecuación del esfuerzo compresión directo = / Por consiguiente se puede decir que la fórmula de J.P. Johnson se aplica para longitudes intermedias.
Factores de diseño para columnas y cargas permisibles Factor de seguridad: Debido a que una columna falla por pandeo y por falla ultima o cedencia del material, los métodos antes utilizados para calcular el esfuerzo de diseño no se aplican a columnas, así que la carga permisible se calcula dividiendo la carga de pandeo critica por la fórmula de Euler o la fórmula de J.P. Johnson por un factor de diseño n, es decir en donde: = / es igual a carga segura permisible Pac. Pcr Carga de pandeo crítica y N Factor de diseño (Factor de seguridad)
La selección del factor de diseño es la responsabilidad del diseñador a menos que el proyecto figure un reglamento, los factores a considerar en la selección de un factor de diseño son similares a los utilizados para determinar factores de diseños aplicados a esfuerzo, un factor común utilizado en el diseño estructural es N=3 y la razón de porque se selecciona este valor es la incertidumbre con respecto a las propiedades del material, la fijación de los extremos, lo recto de la columna o la posibilidad de que la carga se aplique con algo de excentricidad y no a lo largo del eje de la columna, en ocasiones se usan factores mayores en situaciones críticas y para columnas muy largas.
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Resumen de Método de Análisis de Columnas
1. Longitud real L 2. La manera de conectar las columnas a sus apoyos 3. La forma de la sección transversal de la columna y sus dimensiones 4. El material del cual está hecha la columna Entonces el procedimiento es: 1. Determinar el factor de fijación de los extremo K, el tipo de conexión entre la columna y sus apoyos. 2. Calcular la longitud efectiva Le = KL 3. Calcule el valor mínimo del radio de giro de la sección transversal por medio de:
4. Calcule la máxima razón de esbeltez
5. Con el módulo de elasticidad E y la resistencia a la cedencia Sy del material; calcule la constante de la columna
6. Compare Sr con Ce: a) Si Sr > Ce, la columna es larga, se usa la fórmula de Euler para calcular la carga crítica de pandeo: b) Si Sr < Ce, la columna es corta, utilice la fórmula de J.B. Johnson para calcular la carga critica de pandeo
7. Especifique el factor de diseño N 8. Calcule la carga permisible = /
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Tipos de columnas Columnas de fundición
El empleo de columnas de fundición está limitado a las construcciones cuya altura no sea mayor que dos veces la menor de sus otras dimensiones ni mayor de 30.5m (100pies). Este género de columnas no se debe emplear en garajes ni otras edificaciones que pueden estar expuestas a cargas instantáneas o empujes laterales considerables. En la actualidad, su empleo se limita a soportar los antepechos de los anfiteatros en salas de espectáculos o como columnas en las estructuras de madera pesadas y de poca altura. El mayor inconveniente de este material es que aunque tiene una resistencia muy elevada a la ruptura por compresión, 5600 Kg por cm2 y aun más, sus resistencias a la tracción y al esfuerzo cortante son muy reducidas e inciertas. Examinando la fundición, se pueden ver sus defectos interiores, como sopladuras, rechupes, escorias, cuerpos extraños, etc., que afectan considerablemente la resistencia del material. Son relativamente económicas y se pueden adquirir fácilmente y hasta provistas de ménsulas y otras piezas auxiliares, de modo que su montaje en obra resulte barato. Ensayos y observaciones demuestran que estas columnas resisten al fuego y a la corrosión mejor que las de acero. El diámetro exterior de las columnas de fundición no debe ser menor de 127 mm ni inferior a la vigésima parte de la longitud sin apoyo de la columna. El espesor de la fundición no debe ser menor que la dozava parte del diámetro exterior de la columna y muchas especificaciones determinan que dicho espesor no debe ser menor de 3/4 de pulgada (19 mm) para columnas de un diámetro exterior menor de 9 pulgadas (22.9cm).Las columnas de fundición se deben proyectar de modo que las cargas excéntricas no produzcan esfuerzos de tracción en ninguna parte de la sección y no se deben instalar en sitios en que puedan sufrir choques de vehículos o maquinaria pesada. La inspección cuidadosa de las columnas de fundición es muy importante y muy difícil.
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Columnas Lally Las columnas Lally son columnas patentadas construidas con un tubo cilíndrico de acero, relleno de hormigón de cemento Portland, 1:1.5:3. Las columnas ligeras tienen un diámetro exterior de 4 pulgadas (10.2 cm) y un espesor de 0.134 pulgadas (3.4 mm) y las pesadas tienen de 3.5 a 12.75 pulgadas (8.89 a 32.4 cm) de diámetro exterior con un espesor de 0.216 a 0.375 pulgadas (5.5 a 9.5mm) El tipo estándar esta armado solamente con el tubo de acero, y los tipos especiales pueden obtenerse con armaduras suplementarias que comprenden el tubo de acero y armados de varilla o de perfiles estructurales de acero. Las columnas Lally (tubo de acero relleno de hormigón) se construyen de tubo de acero o hierro dulce de un diámetro mínimo de 7 ” (178 mm) relleno con una mezcla de hormigón no inferior 1:4.5, y tienen la misma resistencia al fuego que las de fundición. Deben ir provistas de remates o capiteles de fundición. Los tipos especiales con armado de perfiles estructurales de acero embebidos en el hormigón de relleno, tienen una resistencia al fuego doble que los corrientes. La fórmula para las cargas de seguridad sobre columnas Lally que se da en los catálogos de los fabricantes es:
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Las uniones tipo y detalles de las columnas Lally se pueden ver en la siguiente figura.
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Columnas compuestas Estas columnas se componen de un núcleo de hormigón, rodeado de una armadura en espiral, reforzada con un núcleo de acero o fundición, destinado a soportar una parte de la carga. Los núcleos de fundición pueden ser macizos o huecos. Los núcleos de acero se componen, generalmente, de cuatro perfiles de ángulos unidos con celosía o con placas interrumpidas o riostras, y lo podemos ver en la siguiente figura
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Las columnas compuestas se emplean tanto en edificios de poca altura como en los de muchos pisos; en los primeros, las columnas de acero se recubren frecuentemente con concreto, por requisitos arquitectónicos o para protegerlas contra el fuego, la corrosión y, en algunos casos, el impacto de vehículos, por lo que resulta conveniente, y económico, que acero y concreto trabajen en conjunto; En edificios altos se obtienen secciones mucho menores que si las columnas fuesen de concreto reforzado, lo que redunda en incrementos apreciables del área útil. Además, las columnas compuestas que forman parte del sistema que resiste las fuerzas horizontales tienen ductilidad y tenacidad adecuadas para su empleo en zonas sísmicas y mejores características de amortiguamiento que las de acero, y el recubrimiento de concreto evita el pandeo del perfil metálico; por todo ello, se usan con frecuencia como parte de los marcos que resisten las acciones de los temblores. Ventajas y desventajas de las columnas compuestas
Algunas de las ventajas de las columnas compuestas son (varias de ellas se han mencionado arriba): • Sección transversal menor que las de colu mnas convencionales de concreto reforzado
• Mayor capacidad de carga • Ductilidad y tenacidad adecuadas para zonas sísmicas • Velocidad de construcción cuando forman parte de marcos compuestos • Mayor resistencia al fuego que las columnas de acero • Mayor rigidez lateral de la construcción c uando son parte del sistema que resiste las acciones producidas por viento o sismo
• Mejores características de amortiguamiento • Rigidización del perfil laminado, lo q ue aumenta su resistencia al pandeo local Desventajas Una de ellas, cuando se emplean en edificios altos, proviene de la dificultad de controlar su acortamiento que es, en general, diferente del de los muros de concreto reforzado y las columnas de acero no recubiertas; el problema se origina, en parte, por la gran diferencia de niveles que suele haber, durante el proceso deconstrucción, entre la zona en la que se está montando la estructura de acero y aquella, varios niveles más abajo, en la que se cuela el concreto alrededor de las columnas, para hacerlas compuestas, y se agrava cuando las fuerzas horizontales, de viento o sismo, son resistidas predominantemente por
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una parte de la estructura que tiene columnas compuestas, pues, bajo cargas gravitacionales permanentes, esas columnas quedan sometidas a esfuerzos de compresión menores que las que soportan cargas verticales principalmente(ya que han de tener una reserva de resistencia, que se emplea cuando obran las acciones accidentales), y se acortan menos. El efecto neto puede ser que los pisos no queden a nivel. Una manera como se ha resuelto este problema ha sido determinando los niveles reales de los extremos de las columnas, en las distintas etapas del montaje, y corrigiendo las diferencias de elevación con placas de relleno de acero. Si se emplea un núcleo macizo de fundición o de tubo metálico para una columna compuesta, el diámetro exterior del núcleo metálico no debe ser mayor que la mitad del diámetro del armado en espiral de la columna, y la superficie exterior del núcleo no debe estar nunca a menos de 8 cm de la espiral de acero. El área de la sección transversal del núcleo metálico no debe exceder del 12% del área de la sección transversal de la columna comprendida en la armadura de acero en espiral. El volumen de acero, incluida la espiral, será igual o mayor del 1% del volumen de la columna comprendido dentro de la armadura en espiral. El paso de la espiral no debe pasar de 1/6 de diámetro de la columna interior a la armadura en espiral y no debe ser nunca mayor de 8cm. No debe haber menos de 6 barras longitudinales, con un área total de la sección transversal del 2 al 4% del área de la columna comprendida dentro de la armadura en espiral, colocada a distancias iguales sobre la parte interior de la espiral, a la que se sujetan con alambre de acero.
Columnas de acero Las columnas de acero tienen muchas ventajas sobre las de fundición y otros metales y han sustituido en gran parte a las columnas de fundición, aun en la construcción de edificaciones de poca importancia. Consideradas desde el punto de vista de la confianza y seguridad, las columnas de acero son superiores, indiscutiblemente, a las de fundición. Una columna de acero puede sufrir un choque y desviarse perjudicialmente de su línea y seguirá, todavía, soportando la carga sin romperse, siempre que dicha carga no este próxima la carga critica de pandeo. La columna de acero, en virtud de su tenacidad y ductilidad, tiene gran resistencia de reserva contra la ruptura, aun cuando se haya sobrepasado el punto de elasticidad aparente y se haya producido una deformación permanente. En iguales condiciones de un impacto lateral, la columna de fundición está muy expuesta a romperse bruscamente, antes de que se note en ella ninguna deformación apreciable.
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Las cargas instantáneas con bastante excentricidad para producir esfuerzos apreciables de tracción en las fibras más exteriores de una columna, producen el mismo efecto que los impactos laterales. Las columnas de acero se deben emplear cuando puedan estar expuestas a cargas excéntricas o a choques de vehículos o maquinaria pesada. La fórmula para columnas de acero según la American Institute of Steel Construction es:
donde: * f = esfuerzo máximo admisible en la fibra, Kg por cm2; * L = longitud sin apoyo de la columna, en cm; * r = radio de giro mínimo del área de la sección transversal con relación a un eje, alrededor del cual puede flexarse lateralmente la columna, en cm. Las columnas de acero pueden ser sencillas, fabricadas directamente con perfiles estructurales, empleados como elemento único, o de perfiles compuestos, para los cuales de usan diversas combinaciones, como las viguetas H, I, la placa, la solera, el canal y el tubo y el ángulo de lados iguales y desiguales.
Características de una columna de acero Se puede trabajar en varios pisos a la vez, durante la obra gris. La fundación de una columna de acero es de menor dimensión quelas de una columna de concreto ya que el peso de una estructura de acero es más liviana que la de concreto. Aunque el dimensionamiento final de la estructura lo determina el cálculo estructural. Proceso Constructivo de una columna de acero • Colocación de armaduría de zapata, pedestal y t ensores
• Colado de zapata y pedestal, no necesariamente los tensores deben de colarse en este punto.
• La unión de las columnas a la fundación, se hace por medio de una placa base de acero soldada a la columna; ésta reparte la carga en la superficie del pedestal. La placa se une a la fundación mediante los pernos de anclaje.
• Entre la placa y el pedestal se aplica una lechada de alta resistencia conocida como “grout”. 49
Tipos de columnas de acero
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Columnas mixtas Son una combinación de las columnas de hormigón y de las de acero reuniendo las ventajas de ambos tipos de columnas. Las columnas mixtas tienen una mayor ductilidad que las de hormigón y se pueden construir uniones siguiendo las técnicas de la construcción con acero. El relleno de hormigón no sólo proporciona una capacidad de soportar cargas mayores que la de las columnas de acero sino que también potencia la resistencia frente al fuego. Las estructuras mixtas están hechas de acero estructural y hormigón armado ó pretensado, conectado entre sí para resistir conjuntamente las cargas. Estas podrán ser utilizadas para la construcción de losas, vigas, pilares y pórticos mixtos. Las columnas mixtas de acero y hormigón, especialmente las de perfiles tubulares de acero rellenos de hormigón, presentan una importante serie de ventajas en el campo de la arquitectura, estructural y económico, las cuales son muy valoradas por los diseñadores actuales y por los ingenieros de la construcción. Sujeto a la intuición en lo referente a su forma de ejecución y su diseño. Algunos de los aspectos cualitativos, que marcan las preferencias de los arquitectos y de los profesionales del mundo de la construcción, aparecen detallados en la imagen anterior.
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Encofrado para columnas El encofrado o formaleteado, es un molde de madera o acero y tienen por objetivo contener la armadura y el concreto durante el proceso de fraguado. Gracias a las propiedades mecánicas de la pasta de concreto es posible crear una gran cantidad de elementos de distintas formas con fines estructurales o arquitectónicos. Pero es necesario contener la mescla durante el proceso de endurecimiento para generar la forma final que tendrá el elemento. Para la fabricación de un encofrado, es necesario contar con la madera o acero adecuado para esta aplicación y darle un correcto soporte.
Durante el proceso de vaciado el concreto genera fuerzas de presión contra los elementos que lo confinan y si esta es mayor que la capacidad de estos o sus soportes, puede generar deformaciones en el encofrado que quedaran impresas en el elemento o en casos extremos la destrucción del encofrado lo significaría la pérdida del concreto utilizado. Dentro del encofrado es colocada la armadura o canasta de refuerzo, para quedar embebida en el elemento una vez fraguado. Para una correcta colocación de esta armadura y para dejar los recubrimientos necesarios la canasta se debe separa de los bordes y en inferior utilizar separadores de concreto (helados), estos son fabricados de concreto, normalmente extruidos por un tubo, no es conveniente utilizar madera, pedazos de bloques u otros elementos que puede reducirnos la capacidad del concreto.
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Lo más usual en proyectos de viviendas es la utilización de formaleta de madera, pero se debe tener un estricto control en cuanto a la calidad, una pieza muy suave o muy rígida no son convenientes ya que nos puede dar problemas durante la colocación del concreto o cuando se retire el encofrado. Además en los casos que se reutilice la formaleta se debe tener mucho control de la limpieza de esta para eliminar rastros de concreto de choreas anteriores o cualquier tipo de suciedad que pueda contaminar la mescla. Además es conveniente mojar los encofrados de madera ya que estos tienden a absorber agua la cual es indispensable durante el proceso de fraguado. Las cajas de encofrado para columnas de hormigón armado se componen de 4 tableros, de los cuales dos tienen de ancho el núcleo de la columna (tableros intermedios) y los otros dos tienen dos gruesos de tabla más de anchura (tableros salientes; fig., corte a-b). Los tableros están compuestos de tablas verticales de 2.5 cm. de grueso, ligadas por bridas horizontales clavadas (10.5 x 2.5 cm.). Las bridas inferiores (de pie), se disponen a vinos 20 cm. del borde del tablero y las superiores (de cabeza), sólo a 2.5 cm. Si en la columna descansa una viga, se coloca la brida superior 2.5 cm. más abajo de la unión. Las bridas intermedias se disponen a distancias de 70 a 80 cm. Las de los tableros intermedios sobresalen unos 2.5 cm. del ancho del tablero para formar tope, saliente en el que no se puede clavar. En los tableros salientes la longitud de las bridas es igual al ancho de tablero. El trabado de los tableros entre sí se logra por aros de tabla.
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La distancia entre aros, que en la parte superior del cajón tiene de 60 a 70 cm. debe ir disminuyendo hacia el pie de la columna. En las columnas ligeras los aros se componen de 4 tablas, clavadas en cada ángulo con 3 clavos 31/70, con lo que son posibles distintos dispositivos: pueden tener bridas los cuatro tableros o sólo los salientes clavándose los intermedios directamente al aro, disposición representada en la figura. Los tableros sin brida se montan sobre una mesa dispuesta convenientemente. También pueden clavarse los cuatro tableros al aro, necesitándose entonces sólo las bridas de cabeza (superiores). Si la sección es rectangular el aro lo forman 6 tablas, teniendo los lados menores sólo 1 tabla y las mayores 2 tablas (fig. 100). Con secciones mayores el aro consta en el lado mayor de un fuerte larguero 10-10 cm. y en los menores de dos tablas (fig. 101), disposiciones empleadas también para las columnas cuadradas. Con sección grande han de arriostrarse los aros en los extremos. Puede obtenerse un margen mayor de seguridad disponiendo otros largueros verticales sujetos al centro de los tableros con riostras, tensándose los alambres por fuera del encofrado con pequeñas cuñas. En columnas ligeras también se emplean, en lugar de aros, abrazaderas de hierro graduables, por ejemplo, las Imex, Durr, Puls y Bauer, etc., cuando se emplea este sistema se deben poner bridas en los 4 tableros.
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Los ángulos de la sección transversal suelen truncarse, poniendo en las esquinas del encofrado listones de sección triangular, con lo que se impide se deterioren las aristas al desencofrar. Los encofrados de columnas deben poseer todos unos orificios en su parte inferior, que se obstruirá inmediatamente antes de verter el hormigón. El apuntalado se hace con tablas inclinadas dispuestas como puntales, así como otras horizontales (en ambas direcciones), empleándose para ello tablas de 10.5 x 2.5 cm. Las inclinadas, en 45° a 60° (2 por cada cara de la columna), se clavan por abajo a un larguero horizontal sujeto a su vez a la solera y por arriba al tablero, poniéndose los clavos siempre en los encuentros de los tableros (ángulos), nunca en el centro.
En columnas de sección circular, el encofrado se hace de tablas estrechas mantenidas por aros, lográndose la resistencia a la presión del hormigón por medio de anillos de hierro o riostras de alambre.
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Consejos y pasos a seguir para realizar el encofrado
Una vez levantado el muro de ladrillos, se procederá al encofrado de las columnas que servirán de molde para el vaciado de concreto. Los encofradores empezarán por habilitar la madera, es decir, cortarán y juntarán una pieza con otra; se deberá verificar que se encuentre en buen estado, limpia de desperdicios y no arqueada. A los fierros de las columnas se les deben adherir unos dados de concreto de 2 cm de espesor, que actúan como separadores, evitando que se peguen al encofrado, de manera que tengan suficiente concreto de recubrimiento y que en un futuro no se oxiden. Las tablas de madera que sirven para encofrar la columna, deben estar unidas por barrotes ubicados a no más de 50 cm uno del otro. Por su parte, la superficie que estará en contacto con el concreto debe mojarse con petróleo, a fin de que el concreto endurecido no se pegue a la madera, facilitando el desencofrado.
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Una vez colocado el encofrado, se deben ajustar las caras opuestas con alambre Nº8, cuidando de que no queden espacios entre el muro y el encofrado por donde pueda escurrirse el concreto durante el vaciado. Luego el encofrado será asegurado contra el piso por medio de unos puntales. Para terminar, es importante verificar que el encofrado haya quedado totalmente vertical, utilizando una plomada. En caso de que se esté encofrando una columna que colinda con el muro de una propiedad vecina, debemos colocar una plancha de tecnopor para conservar la separación entre las dos propiedades. Esta separación permitirá que, durante un sismo, nuestra vivienda se mueva de forma independiente sin chocar con la vivienda vecina.
Se recomienda revisar la zona de trabajo durante el proceso de encofrado, pues es frecuente encontrar en el piso maderas con clavos que pueden ocasionar accidentes. Una vez cumplidos estos pasos, el encofrado quedará listo para el vaciado del concreto. Al día siguiente del vaciado se podrá desencofrar.
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Otro tipo de columnas bajo tierra: Pilotes Se denomina pilote a un elemento constructivo utilizado para cimentación de obras, que permite trasladar las cargas hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se encuentra a una profundidad tal que hace inviable, técnica o económicamente, una cimentación más convencional mediante zapatas o losas. Tiene forma de columna colocada en vertical en el interior del terreno sobre la que se apoya el elemento que le trasmite las cargas (pilar, encepado, losa...) y que trasmite la carga al terreno por rozamiento del fuste con el terreno, apoyando la punta en capas más resistentes o por ambos métodos a la vez.
Tipos de pilotes Primeros pilotes. Es el tipo de pilote más antiguo, normalmente de madera, y se inventó para hacer cimentaciones en zonas con suelo húmedo, con el nivel freático alto o inundado. Eran de madera, troncos sencillamente descortezados y su capacidad portante se basaba, bien llegando a un capa del terreno suficientemente resistente, o bien, por rozamiento del pilote con el terreno. Pilotes in situ. La denominación se aplica cuando el método constructivo consiste en realizar una perforación en el suelo a la cual, una vez terminada, se le colocará un armado en su interior y posteriormente se rellenará con hormigón. En ocasiones, el material en el que se está cimentando, es un suelo friccionante (como son arenas, materiales gruesos y limos, los cuales pueden ser considerados como materiales friccionantes ya que al poseer una estructura cohesiva tan frágil, cualquier movimiento como el que produce la broca o útil al perforar o la simple presencia de agua en el suelo entre otros, hace que se rompa dicha cohesión y el material trabaje como un suelo friccionante), es por ello que se presentan desmoronamientos en el interior de las paredes de la perforación; a este fenómeno se le denomina "caídos", es por ello que se recurre a diversos métodos para evitar que se presente.
Por la forma de ejecución del vaciado, se distinguen básicamente dos tipos de pilotes: los de extracción y los de desplazamiento. Un pilote de extracción se realiza extrayendo el terreno, mientras que el de desplazamiento se ejecuta compactándolo. En ambos casos se utilizan diferentes técnicas para mantener la estabilidad de las paredes de la excavación.
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Pilote in situ de desplazamiento con azuche. Usualmente como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno, después de atravesar capas blandas. También como pilotaje trabajando por fuste y punta en terrenos granulares medios o flojos, o en terrenos de capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia. Pilote in situ de desplazamiento con tapón de gravas. Usualmente como pilotaje trabajando por fuste en terrenos granulares de compacidad media o en terrenos con capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia. Pilote in situ de extracción con entubación recuperable. Este tipo de pilote se ejecuta excavando el terreno y utilizando una camisa (tubo metálico a modo de encofrado), que evita que se derrumbe la excavación. Una vez completado el vaciado, y según se va hormigonando el pilote, se va retirando gradualmente la camisa, que puede ser reutilizada nuevamente. Usualmente como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca. También como pilotaje trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme, prácticamente homogéneo. Pilote in situ de extracción con camisa perdida. Se ejecuta por el mismo sistema del tipo in situ de extracción con entubación recuperable, con la diferencia de que la camisa metálica no se extrae, sino que queda unida definitivamente al pilote. Usualmente como pilotaje trabajando por punta apoyado en roca o capas duras de terreno y siempre que se atraviesen capas de terreno incoherente fino en presencia de agua, o exista flujo de agua y en algunos casos con capas de terreno coherente blando; cuando existan capas agresivas al hormigón fresco. La camisa se utilizará para proteger un tramo de los pilotes expuesto a la acción de un terreno agresivo al hormigón fresco o a un flujo de agua. La longitud del tubo que constituye la camisa será tal que, suspendida desde la boca de la perforación, profundice dos diámetros por debajo de la capa peligrosa. Pilote in situ perforado sin entubación con lodos tixotrópicos. Es un pilote de extracción, en el que la estabilidad de la excavación se confía a la acción de lodos tixotrópicos. Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno. Cuando se atraviesen capas blandas que se mantengan sin desprendimientos por efecto de los lodos.
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Pilote in situ barrenado sin entubación. Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en capa de terreno coherente duro. También como pilotaje trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme prácticamente homogéneo o coherente de consistencia media en el que no se produzcan desprendimientos de las paredes.
Pilote in situ barrenado y hormigonado por tubo central de barrena. Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno. También como pilotaje trabajando por fuste y punta en terrenos de compacidad o consistencia media, o en terrenos de capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia Se trata de pilotes por desplazamiento de las tierras por medio de una barrena continua. Posteriormente se ejecuta el hormigonado por bombeo por el tubo central existente en el interior de la barrena.
Este sistema resulta apropiado para suelos blandos e inestables y con presencia de agua. La armadura se introduce una vez perforado y hormigonado el pilote, por lo que genera el inconveniente de que debido a la densidad del hormigón, la longitud de armado no supera los 7,00-9,00 m. Pilotes hincados. Consiste en introducir elementos prefabricados de hormigón similares a postes de luz o secciones metálicas por medio de piloteadoras en el suelo. Dichos elementos son colocados verticalmente sobre la superficie del terreno y posteriormente "hincados" en el piso a base de golpes de "martinete", esto hace que el elemento descienda, penetrando el terreno, tarea que se prolonga hasta que se alcanza la profundidad del estrato resistente y se produzca el "rechazo" del suelo en caso de ser un pilote que trabaje por "punta", o de llegar a la profundidad de diseño, en caso de ser un pilote que trabaje por "fricción". Pilotes prefabricados. Los pilotes prefabricados pertenecen a la categoría de cimentaciones profundas, también se los conoce por el nombre de pilotes premoldeados; pueden estar construidos con hormigón armado ordinario o con hormigón pretensado. Los pilotes de hormigón armado convencional se utilizan para trabajar a compresión; los de hormigón pretensado funcionan bien a tracción, y sirven para tablestacas y cuando deben quedar sumergidos bajo el agua.
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Estos pilotes se clavan en el terreno por medio de golpes que efectúa un martinete o con una pala metálica equipada para hincada del pilote. Su sección suele ser cuadrada y sus dimensiones normalmente son de 30 cm x 30 cm o 45 cm x 45 cm También se construyen con secciones hexagonales en casos especiales. Están compuestos por dos armaduras: una longitudinal con cuatro varillas de 25 mm de diámetro, y otra transversal compuesta por estribos de varilla de 8 mm de sección como mínimo. La cabeza del pilote se refuerza mediante cercos con una separación de 5 cm en una longitud de un metro. La punta va reforzada con una pieza metálica especial para facilitar la hinca. Pilotes excéntricos. Los pilotes excéntricos son los que se ubican fuera de los ejes de las columnas y de las contratables en edificios urbanos con estructura reticular, ofreciendo ventajas sustanciales respecto de los tradicionales instalados a cielo abierto antes del desplante de la edificación, colados en sitio o prefabricados hincados a golpes de martillo y coincidentes con los ejes, lo que dicho en otras palabras significa que los pilotes excéntricos pueden instalarse después de haberse iniciado la construcción del edificio. Cuando éste ya tiene algún peso se usa como lastre gratuito para dar la reacción de hincado al equipo hidráulico que es compacto, silencioso, sin vibraciones, limpio y de mayor capacidad que la dada con golpes de martillo.
Las ventajas sustanciales de carácter financiero a favor del propietario y de tipo ingenieril a favor de los técnicos participantes, debidas al simple cambio de ubicación de los pilotes, son las siguientes: Ahorro del tiempo total de construcción del edificio al eliminar del programa de obra el que correspondería a la instalación tradicional de los pilotes hecha antes del inicio de la construcción. Se garantiza la verticalidad de los pilotes gracias al tipo de perforación en el subsuelo, que guía la punta del pilote según la línea de la gravedad hasta llegar a la capa de apoyo. Los pilotes pueden ser de cualquier tipo de funcionamiento, a saber: apoyados por punta, flotantes, o de fricción negativa, según se haya decidido por el Estudio de Mecánica de Suelos. La totalidad de los pilotes apoyados en estrato duro se rebotan a la carga de prueba cuando la punta llega al estrato y la fricción lateral es despreciable, garantizando la inmovilidad de los pilotes bajo toda solicitación de carg a y sin costo adicional para el propietario.
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La inmovilidad se aprovecha en casos específicos para controlar los esfuerzos y las deformaciones del conjunto “suelo -edificio- pilote”, instalando mecanismos modernos a prueba de sismos muy enérgicos, tanto en obras nuevas donde han originado el concepto "Construya Antes Hinque Después", o en edificios que ya estando en funcionamiento requieren ser recimentados sin dejar de funcionar, para recuperar la verticalidad perdida porque es riesgoso que se hayan reducido los factores de seguridad de la estructura consumidos por la inclinación, la que pone en riesgo la seguridad de los usuarios, la del propio edificio y la de las edificaciones adyacentes, así como las instalaciones públicas bajo las banquetas y también para recuperar los niveles correctos cuando aparentemente los edificios han “emergido” respecto del nivel de las banquetas en la vía pública. Cuando en las edificaciones se presentan problemas generados por un comportamiento distinto del subsuelo al esperado por nosotros, como sucede en las zonas lacustres sujetas a proceso de consolidación por pérdida de humedad, por sobrecarga o por el efecto nocivo de sismos de alta energía, la excentricidad de los pilotes permite en todo momento si fuere necesario o conveniente, cambiar su tipo de funcionamiento diseñado de origen.
Principio de funcionamiento Los pilotes trasmiten al terreno las cargas que reciben de la estructura mediante una combinación de rozamiento lateral o resistencia por fuste y resistencia a la penetración o resistencia por punta. Ambas dependen de las características del pilote y del terreno, y la combinación idónea es el objeto del proyecto. Para un pilote circular, hormigonado in situ y apoyado cuya punta inferior está sobre un estrato de resistencia apreciable la carga de hundimiento vienen dada por:
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Cabe señalar que, como en todo trabajo relacionado con la ingeniería geotécnica, existe cierto grado de incertidumbre en la capacidad final de un pilote. Es por esto que buena parte de la investigación que se viene desarrollando en este campo tiene que ver con métodos que permitan hacer un control de calidad a bajo costo del pilotaje antes de aplicar las cargas. Los alternativos podemos mencionar: pruebas de resonancia, prensa hidráulica de Osterberg, pruebas de análisis de ondas, pruebas sísmicas. En muchos casos las teorías que permiten estimar la resistencia de fuste y la resistencia de punta son de tipo empírico. Es decir, son el resultado de un análisis estadístico del comportamiento de ciertos pilotes en determinadas condiciones de terreno. Por lo tanto, es sumamente importante conocer el origen y las condiciones bajo las cuales determinadas fórmulas de cálculo son válidas.
Precauciones constructivas Colocación de hormigón in situ La distancia mínima entre la piloteadora y la colocación del hormigón debe ser especificada. Se han realizado pruebas que muestran que las vibraciones provenientes de la piloteadora no tienen efectos contrarios sobre el hormigón fresco, y un criterio de un pilote abierto entre las operaciones de perforación y las de vaciado es considerado como satisfactorio. La camisa, cascarón, tubo o tubería, debe ser inspeccionado justo antes a rellenarlo con hormigón y debe estar libre de material extraño y no contener más de diez centímetros de agua, a menos que se utilice el método tremie para introducir hormigón. El hormigón debe ser vertido en cada perforación o camisa sin interrupción. Si es necesario interrumpir el proceso de vertido de hormigón por un intervalo de tiempo tal que endurezca el hormigón, se deben colocar dovelas de acero en la zona superior hormigonada del pilote. Cuando el vaciado se suspende, todas la rebabas debe ser retiradas y la superficie del hormigón debe ser lavada con una lechada fluida. Vaciado con el método tremie El método tremie, de llenado por flujo inverso, se usa para verter hormigón a través de agua, cuando la perforación queda inundada. El hormigón se carga por tolva o es bombeado, en forma continua, dentro de una tubería llamada tremie, deslizándose hacia el fondo y desplazando el agua e impurezas hacia la superficie.
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El fondo del tremie se debe cerrar con una válvula para prevenir que el hormigón entre en contacto con el agua. El tremie llega hasta el fondo de la perforación antes de iniciarse el vertido del hormigón. Al principio, se debe elevar algunos centímetros para iniciar el flujo del hormigón y asegurar un buen contacto entre en hormigón y el fondo de la perforación. Como el tremie es elevado durante el vaciado, se debe mantener dentro del volumen del hormigón, evitando el contacto con el agua. Antes de retirar el tremie completamente, se debe verter suficiente hormigón para desplazar toda el agua y el hormigón diluido. Para vaciar el agua del tremie se puede utilizar una pelota de goma, o un tapón de corcho.
Ensayos de integridad para pilotes Además de los métodos directos (inspección visual y sondeo geotécnico), existen diversas técnicas indirectas para detectar posibles anomalías en las cimentaciones profundas (pilotes y módulos pantalla principalmente). Ensayo de transparencia sónica en cimentaciones profundas (sondeo sónico, ensayo sónico, cross-hole o crosshole). Detecta y localiza con precisión anomalías (deslavados, contaminación, inclusión,..., etc.). Se estudia la propagación de ultrasonidos entre parejas de tubos metálicos embebidos en el hormigón introduciendo en ellos unas sondas. Ensayo de eco (martillo convencional). Permite evaluar la longitud del elemento por la medida del tiempo transcurrido entre un impacto y su reflexión. Se coloca en cabeza un acelerómetro y se la golpea con un martillo convencional. Requiere golpear sobre hormigón sano. Ensayo de impedancia mecánica en cimentaciones profundas (martillo con sensor de fuerza). Además de la longitud, mediante la medida del impacto y de la respuesta vibratoria, valora la interacción con el terreno y los cambios de sección y/o de calidad del material. Se coloca en cabeza un geófono y se golpea con un martillo instrumentado. Requiere golpear sobre hormigón sano y alisado.
Reparación de pilotes Hay fallas por corrosión o estructurales, muchas de las reparaciones son mediante un enchaquetado esto se hace mediante una cimbra en la forma del pilote pero con un diámetro mayor. En el espacio que queda se puede instalar varillas para reforzar la estructura y posteriormente vaciar mortero.
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Circulo de Mohr El Círculo de Mohr es una técnica usada en ingeniería y geofísica para representar gráficamente un tensor simétrico (de 2x2 o de 3x3) y calcular con ella momentos de inercia, deformaciones y tensiones, adaptando los mismos a las características de una circunferencia (radio, centro, etc). También es posible el cálculo del esfuerzo cortante máximo absoluto y la deformación máxima absoluta. Este método fue desarrollado hacia 1882 por el ingeniero civil alemán Christian Otto Mohr (1835-1918).
Circunferencia de Mohr para esfuerzos Caso bidimensional En dos dimensiones, la Circunferencia de Mohr permite determinar la tensión máxima y mínima, a partir de dos mediciones de la tensión normal y tangencial sobre dos ángulos que forman 90º:
NOTA: El eje vertical se encuentra invertido, por lo que esfuerzos positivos van hacia abajo y esfuerzos negativos se ubican en la parte superior. Usando ejes rectangulares, donde el eje horizontal representa la tensión normal \left(\sigma \right) y el eje vertical representa la tensión cortante o tangencial \left( \tau \right) para cada uno de los planos anteriores. Los valores de la circunferencia quedan representados de la siguiente manera:
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Las tensiones máximas y mínimas vienen dados en términos de esas magnitudes simplemente por:
Estos valores se pueden obtener también calculando los valores propios del tensor tensión que en este caso viene dado por:
Circunferencia de Mohr para momentos de inercia Para sólidos planos y casi-planos, puede aplicarse la misma técnica de la circunferencia de Mohr que se usó para tensiones en dos dimensiones. En muchas ocasiones es necesario calcular el momento de inercia alrededor de un eje que se encuentra inclinado, la circunferencia de Mohr puede ser utilizado para obtener este valor. También es posible obtener los momentos de inercia principales. En este caso las fórmulas de cálculo del momento de inercia medio y el radio de la circunferencia de Mohr para momentos de inercia son análogas a las del cálculo de esfuerzos:
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6. ZAPATAS
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ZAPATAS Una zapata es un tipo de cimentación superficial (normalmente aislada), que puede ser empleada en terrenos razonablemente homogéneos y de resistencias a compresión medias o altas. Consisten en un ancho prisma de hormigón (concreto) situado bajo los pilares de la estructura. Su función es transmitir al terreno las tensiones a que está sometida el resto de la estructura y anclarla. Cuando no es posible emplear zapatas debe recurrirse a cimentación por pilotaje o losas de cimentación.
Tipos de zapatas. Existen varios tipos de zapatas en función de si servirán de apoyo a uno o varios pilares o bien sean a muros. Para pilares singulares se usan zapatas aisladas, para dos pilares cercanos zapatas combinadas, para hileras de pilares o muros zapatas corridas.
Zapatas aisladas. Empleadas para pilares aislados en terrenos de buena calidad, cuando la excentricidad de la carga del pilar es pequeña o moderada. Esta última condición se cumple mucho mejor en los pilares no perimetrales de un edificio. Las zapatas aisladas según su relación entre el canto y el vuelo o largo máximo libre pueden clasificarse en: *Zapatas rígidas o poco deformables. *Zapatas flexibles o deformables. Y según el esfuerzo vertical esté en el centro geométrico de la zapata se distingue entre: *Zapatas centradas. *Zapatas excéntricas. *Zapatas irregulares. *Zapatas colindantes. El correcto dimensionado de las zapatas aisladas requiere la comprobación de la capacidad portante de hundimiento, la comprobación del estado de equilibrio (deslizamiento, vuelco), como la comprobación resistente de la misma y su asentamiento diferencial en relación a las zapatas contiguas.
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Zapata aislada cuadrada. La zapata aislada comúnmente se utiliza para transportar la carga concentrada de una columna cuya función principal consiste en aumentar el área de apoyo en ambas direcciones. En general, su construcción se aconseja cuando la carga de la columna es aproximadamente 75% más baja que la capacidad de carga admisible del suelo. Se recomienda que la zapata aislada deberá emplearse cuando el suelo tenga una capacidad de carga admisible no menor de 10000 kg/m2, con el fin de que sus lados no resulten exageradamente grandes. El cálculo de estas zapatas se basa en los esfuerzos críticos a que se encuentran sometidas, pero su diseño lo determinan el esfuerzo cortante de penetración, la compresión de la columna sobre la zapata, el esfuerzo de flexión producido por la presión ascendente del suelo contra la propia zapata, los esfuerzos del concreto en el interior de la zapata, así como el deslizamiento o falta de adherencia del acero con el concreto.
Zapata aislada rectangular Las zapatas aisladas rectangulares son prácticamente iguales a las cuadradas; ambas trabajan y se calculan en forma similar y se recomiendan en aquellos casos donde los ejes entre columnas se encuentran limitados o demasiado juntos. Por su forma rectangular presenta dos secciones críticas distintas para calcular por flexión. En zapatas que soporten elementos de concreto, será el plomo vertical tangente a la cara de la columna o pedestal en ambos lados de la zapata. En zapatas aisladas rectangulares en flexión en dos direcciones, el refuerzo paralelo al lado mayor se distribuirá uniformemente.
Zapata aislada descentradas Las zapatas aisladas descentradas tienen la particularidad de que las cargas que sobre ellas recaen, lo hacen en forma descentrada, por lo que se producen unos momentos de vuelco que habrá de contrarrestar. Pueden ser de medianería y de esquina. Las formas de trabajo se solucionan y realizan como la zapata aislada con la salvedad de la problemática que supone el que se produzcan momentos de vuelo, debido a la excentricidad de las cargas.
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Algunas de las soluciones para evitar el momento de vuelco seria utilizando una viga centradora o bien vigas o forjados en planta primera. Utilizando viga centradora, está a través de su trabajo a flexión, tiene la misión de absorber el momento de vuelco de la zapata descentrada. Deberá tener gran inercia y estar fuertemente armada. Con vigas o forjados en planta primera, para centrar la carga podemos recurrir a esta opción. La viga o forjado deberá dimensionarse o calcularse para la combinación de la flexión propia más la tracción a la que se ve sometida con el momento de vuelco inducido por la zapata.
Zapatas combinadas. A veces, cuando un pilar no puede apoyarse en el centro de la zapata, sino excéntricamente sobre la misma o cuando se trata de un pilar perimetral con grandes momentos flectores la presión del terreno puede ser insuficiente para prevenir el vuelco de la cimentación. Una forma común de resolverlo es uniendo o combinando la zapata de cimentación de este pilar con la más próxima, o mediante vigas centradoras, de tal manera que se pueda evitar el giro de la cimentación. Un caso frecuente de uso de zapatas combinadas son las zapatas de medianería o zapatas de lindero, que por limitaciones de espacio suelen ser zapatas excéntricas. Por su propia forma estas zapatas requieren para un correcto equilibrio una viga centradora. Dicha viga centradora junto con otras dos zapatas, constituye un caso de zapatas combinadas.
Zapatas corridas o continuas. Se emplea normalmente este tipo de cimentación para sustentar muros de carga, o pilares alineados relativamente próximos, en terrenos de resistencia baja, media o alta. Las zapatas de lindero conforman la cimentación perimetral, soportando los pilares o muros excéntricamente; la sección del conjunto muro-zapata tiene forma de "L" para no invadir la propiedad del vecino. Las zapatas interiores sustentan muros y pilares según su eje y la sección muro-zapata tiene forma de T invertida; poseen la ventaja de distribuir mejor el peso del conjunto.
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Las zapatas son cimentaciones superficiales o directas, como toda cimentación ha de garantizar, de forma permanente, la estabilidad de la obra que soporta. Los tipos de zapatas pueden ser: Por su forma de trabajar: *- Aisladas. *- Combinadas. *- Continuas bajo pilares. *- Continuas bajo muros. *- Arriostradas. Por su morfología: *- Macizas, Que a su vez pueden ser. -- Rectas. -- Escalonadas. -- Piramidales. -- Aligeradas. Por la relación entre sus dimensiones (lo que condiciona su forma de trabajo). *- Rígidas. En las que el vuelo es menor o igual a dos veces el canto. *- Flexibles. En las que el vuelo es mayor a dos veces el canto. Por la forma: *- Rectangulares, cuadradas, circulares y poligonales. El uso de las zapatas aisladas como elemento de sustentación está limitado y se emplean cuando el terreno tiene, ya en su superficie, una resistencia media o alta en relación con las cargas, y es suficientemente homogéneo como par que no sean de temer asientos diferenciales. En el proyecto de obras de edificación de cualquier tipo deberá figurar, expresamente, una exposición detallada de las características del terreno, a cuyos efectos el Técnico que lo redacta podrá exigir al propietario un estudio del suelo y subsuelo, formulado por Técnico competente.
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Para su dimensionamiento y cálculo se adopta en todos los casos la hipótesis de reparto de presiones lineal, que corresponde al caso de cimiento rígido sobre terreno elástico. En casos excepcionales, en los que la importancia de la obra lo requiera, se adoptarán repartos diferentes para un dimensionamiento más apropiado de estos elementos. Para el análisis y dimensionamiento riguroso de estos elementos aconsejamos al alumno la lectura y estudio de las obras: *- Cimentaciones de Hormigón Armado, autores; Montoya-Meseguer-Morán. *- Cálculo de Estructuras de Cimentación, autor; J. Calavera. Abordaremos solo el análisis de zapatas rectangulares por ser las más utilizadas. Se realizará así mediante la condición de no existencia de tracciones en el terreno y con análisis separados en las dos direcciones principales, cuando existan momentos aplicados en ambas. Tensión admisible del terreno y asientos admisibles. Para disponer de una idea orientativa tanto de las tensiones admisibles de los distintos tipos de terrenos, como de los asientos generales admisibles y las cargas a considerar en el proyecto de la cimentación se puede consultar el Capítulo VIII. Presiones en terreno de cimentación, de la NBE-AE-88. En la misma (apartado 8.9. Reconocimiento del terreno) se establecen los criterios para la elección de la presión admisible en el terreno. En cualquier caso, y dada la complejidad del problema de los asientos, cuando por las características de la estructura o la naturaleza del terreno sean de temer asientos superiores a los admisibles, el proyectista debe acudir a un especialista en cimentaciones.
2 Los valores más usualmente manejados oscilan entre 1 y 2 kp/cm.
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Comprobación al vuelco. La primera comprobación que debe efectuarse en zapatas sometidas a momentos o fuerzas horizontales es la seguridad al vuelco. El problema se reduce a comprobar que el llamado momento de vuelco afectado por un coeficiente de seguridad (por norma 1.5) es inferior al momento estabilizador, para ello se toma momentos respecto al eje -O-.
Siendo: N, M, V = Esfuerzos en base de pilar. P = Peso propio de la zapata. b = ancho de la zapata. h = altura o canto de la zapata En esta ecuación no está incluido el peso del suelo que gravita sobre la zapata, cuyo efecto es estabilizador.
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Comprobación al deslizamiento.
El caso de zapatas sometidas a acciones horizontales y que no estén debidamente arriostradas, deberá comprobarse la seguridad al deslizamiento. La fuerza de rozamiento entre la base de la zapata y el terreno o la cohesión de éste se tomará como única fuerza estabilizante, despreciándose generalmente el empuje sobre la superficie lateral de la zapata. Se deberá cumplir que:
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Cimentación por zapatas En general son de planta cuadrada, pero en la proximidad de los lindes suelen hacerse rectangulares o circulares cuando los útiles de excavación dejan los pozos de esta forma. Se hacen de hormigón armado para que sean capaces de distribuir fuertes cargas en una superficie importante. Esta solución será satisfactoria mientras las zapatas no se junten demasiado; de ocurrir esto será mejor la cimentación corrida. Está formada por concreto armado, esto quiere decir que está conformada por concreto y acero, el cual debe ir armado según los cálculos de las cargas que reciba dicha cimentación. Este tipo de cimentación se utiliza en obras grandes en las cuales debido al área de construcción y al terreno, no se pueden utilizar las cimentaciones corridas. Las zapatas pueden ser de hormigón en masa o armado con planta cuadrada o rectangular como cimentación de soportes verticales pertenecientes a estructuras de edificación, sobre suelos homogéneos de estratigrafía sensiblemente horizontal. Las zapatas aisladas para la cimentación de cada soporte en general serán centradas con el mismo, salvo las situadas en linderos y medianeras, serán de hormigón armado para firmes superficiales o en masa para firmes algo más profundos. De planta cuadrada como una opción general. De planta rectangular, cuando las cuadradas equivalentes queden muy próximas, o para regularizar los vuelos en los casos de soportes muy alargados o de pantallas. Como nota importante hay que decir que se independizaran las cimentaciones y las estructuras que estén situados en terrenos que presenten discontinuidades o cambios sustanciales de su naturaleza, de forma que las distintas partes del edificio queden cimentadas en terrenos homogéneos. Por lo que el plano de apoyo de la cimentación será horizontal o ligeramente escalonado suavizando los desniveles bruscos de la edificación. La profundidad del plano de apoyo o elección del firme, se fijara en función de las determinaciones del informe geotécnico, teniendo en cuenta que el terreno que queda por debajo de la cimentación no quede alterado, pero antes para saber qué tipo de cimentación vamos a utilizar tenemos que conocer el tipo de terreno según el informe geotécnico.
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ANEXOS Utilización del acero en el rubro de la construcción
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Concreto u hormigón
Columnas de concreto
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Columnas y zapatas
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CONCLUSIONES
1) Se abordaron los temas más importantes abordados en
la clase de Resistencia de Materiales en lo que concierne a columnas y se vio la aplicación de sus formulas 2) Se estudiaron temas no abordados en clase pero que están ligados a los mismos y son parte fundamental en la cimentación de una construcción al igual que la columna. 3) Se estudio de manera detallada los materiales más utilizados en el rubro de la construcción como ser hormigón, hierro y acero y se estudio cuando es que se utiliza cada uno de ellos y para qué sirven.
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