Introducción Introducción al analisis estructural Por Reyna Jiménez, Carlos 10/09/2014
IMPORTANCIA DE LAS ESTRUCTURAS EN LA ARQUITECTURA Es arte !eneral de cual"uier o#ra de construcción, de#ido a "ue esta de#e oder cumlir satis$actoriamente las $unciones a las "ue se de#e% Esto ira de la mano con el no su$rir $allas y soortar las car!as destinadas% &e#en tenerse en cuenta otros untos como lo ser'n la $uncionalidad y la (a#ita#ilidad% Esta suma de $actores resulta en un roceso de alta comle)idad al momento de royectar un edi*cio "ue osteriormente ser' lle+ado a la realidad% n edi*cio ser' al!o como un or!anismo, $ormado or distintos sistemas y aaratos "ue tra#a)aran en con)unto ara aslo!rar un o#)eti+o en com.n, cumlir con determinada $unción% l momento de ser diseado se de#en tener en cuenta todos a"uellos sistemas "ue tra#a)aran ara oder !enerar una correcta relación de los unos con los otros% Es com.n "ue este con)unto de sistemas no sea lle+ado a la r'ctica de la me)or manera, donde el modelo resultante aarecer' desués de una serie de correcciones y a)ustes ara oder lo!rar un royecto donde todas estas tra#a)en en armon-a% &e#ido a este sin!ular roceder es "ue cada inte!rante de un royecto se atae a su esecialidad, lo "ue uede encausar a al!.n incumlimiento de los otros sistemas% Re!resando a un unto anterior, lo imortante ser' constituir el me)or royecto osi#le "ue se desemee de acuerdo a sus $unciones y *nalidades como o#ra% Pasada la etaa de laneación, el royecto lle!ara a uerto de los contratistas, "uienes se encar!aran de realizar la construcción, sin em#ar!o, estos ueden e+aluar determinado royecto y realizar el cam#io o a)ustes de al!unas cosas de los di+ersos sistemas con el *n de a(orrar tiemo o reducir costos% Estos a)ustes de .ltimo minuto ueden reercutir de !ran $orma en el diseo ar"uitectónico o estructural% En términos !enerales los resultados son #astantes ótimos, ero de#ido a la comle)idad "ue (an ido !anando los edi*cios se (a otado or recurrir a un método cient-*co ara lo!rar una otimización de los con)untos de sistemas inte!rantes inte!rantes de un edi*cio, resaltando resaltando la di$erencia di$erencia del método tradicional, ya "ue este considera simult'neamente simult'neame nte los sistemas "ue estar'n or interactuar interactu ar%% Encausarse en este camino imlica el tra#a)o en con)unto desde una etaa temrana del royecto #a)o la suer+isión de un coordinador, coordinador "ue estar' esecializado se!.n el tio de royecto a !enerar% Como un a!re!ado, se destaca un mayor costo or desarrollar esos royectos #a)o un método de in!enier-a, aun"ue es sumamente comensado con los a(orros estimados en construcción y oeración de la o#ra siemre y cuando se trate de un royecto de !ran en+er!adura% 3in imortar la metodolo!-a ara !enerar el royecto, la estructura de#e em#onar en el desarrollo !eneral sin rooner soluciones "ue inter*eran con al!unos de los sistemas o en su i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
caso e+itar "ue se le restrin)a or al!.n otro sistema y resultar en un diseo estructural oco ortodo8o%
COMPONENTES Y SISTEMAS Y SISTEMAS ESTRUCTURALES Comonentes Es cada una de las artes di$erenciadas aun"ue +inculadas en "ue uede ser di+idida una estructura a e$ectos de su diseo% El diseo y comro#ación de estos elementos se (ace de acuerdo con los rinciios de la in!enier-a estructural y la resistencia de materiales% ineales os elementos lineales o unidimensionales o rismas mec'nicos, est'n !eneralmente sometidos sometidos a un estado de tensión lana con es$uerzos o tensiones !randes en la dirección de l-nea #aricéntrica :"ue uede ser recto o cur+o;%
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=erticales, comrimidos y rectos5 Columna :sección circular; o ilares :sección oli!onal;, ilote :cimentación;% :cimentación;% >orizontales, ?e8ionados y rectos5 +i!a o ar"uitra#e, dintel, zaata corrida ara cimentación, correa de sustentación de cu#ierta% &ia!onales y rectos5 arras de arriostramiento de cruces de 3an ndrés, #arras dia!onales de una celos-a o entramado trian!ulado, en este caso los es$uerzos ueden ser de ?e8ión tracción dominante o comresión dominante% @le8ionados y cur+os, "ue corresonden a arcos continuos cuando los es$uerzos se dan se!.n el lano de cur+atura o a +i!as #alcón cuando los es$uerzos son erendiculares al lano de cur+atura%
Planos os elementos lanos ueden aro8imarse or una suer*cie y tienen un esesor e"ueo en relación a las dimensiones !enerales del elemento% Es decir, en estos elementos una dimensión, llamada esesor, es muc(o menor "ue las otras dos% Pueden di+idirse se!.n la $orma "ue ten!an en elementos5 •
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>orizontales, ?e8ionados ?e8ionados y lanos, como los $or)ados, las losas de cimentación, y las lateas o mar"uesinas% =erticales, ?e8ionados y lanos, como los muros de contención% =erticales, comrimidos y lanos, como los muros de car!a, aredes o ta#i"ues% @le8ionados y cur+os, como lo son las l'minas de re+olución, como los deósitos cil-ndricos ara l-"uidos%
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Araccionados y cur+os son las mem#ranas el'sticas como las aredes de deósitos con ?uidos a resión%
un"ue ueden o#tenerse otros cuando se com#inan% Aridimensionales os elementos tridimensionales o +olumétricos son elementos "ue en !eneral resentan estados de tensión #ia8ial o tria8ial, en los "ue no redomina una dirección dimensión so#re las otras% dem's estos elementos suelen resentar tracciones y comresiones simult'neamente se!.n di$erentes direcciones, or lo "ue su estado tensional es comlicado% Entre este tio de elementos est'n5
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as ménsulas de sustentación as zaatas "ue resentan comresiones se!.n direcciones cerca de la +ertical al ilar "ue sustentan y tracciones en direcciones cerca de la (orizontal%
&es suer*cie cur+a n elemento lano uede tomar la cur+atura m's adecuada ara transmitir car!as or medio de es$uerzos a8iales% a mem#rana es un elemento suer*cial de esesor e"ueo "ue col!'ndose de sus aoyos, toma la $orma "ue le ermite eliminar la ?e8ión y trans$ormar en tensión las car!as trans+ersales alicadas% Es el e"ui+alente en el esacio del ca#le col!ante "ue ad"uiere #a)o una condición de car!a dada se denomina, en $orma seme)ante a lo "ue se (ac-a ara el ca#le, suer*cie $unicular% 3us caracter-sticas de $uncionamiento estructural son tam#ién similares a las del ca#le6 !ran e*ciencia estructural con m-nimo eso roio de la estructura6 ri!idez trans+ersal desrecia#le "ue lle+a a la necesidad de cam#iar de $orma ara soortar cada estado de $uerzas di$erente6 transmisión de ele+adas $uerzas de ancla)e concentradas en al!unos untos y con dirección inclinada "ue e8i!en una estructura de soorte "ue uede resultar articularmente costosa% a ri!idez de una mem#rana se incrementa nota#lemente si se alican tensiones en sus e8tremos ara "ue "uede re$orzada antes de la car!a% &e esta manera la mem#rana su$re sólo e"ueos cam#ios de $orma al asar de un estado de car!a a otro% na $orma muy con+eniente de lo!rar #uena ri!idez es una mem#rana es asociando una do#le cur+atura con rees$uerzo% El material ideal ara mem#rana es el acero, or su alta resistencia en tensión6 este se utiliza ya sea en suer*cies continuas, como en el caso de aredes de reciientes a tensión, o en redes de ca#les, como en las cu#iertas col!antes% as lonas de *#ras naturales o arti*ciales (an sido tam#ién emleadas en cu#iertas col!antes y resultan muy e*cientes% 3istemas
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n sistema estructural es el modelo $-sico "ue sir+e de marco ara los elementos estructurales, y "ue re?e)a un modo de tra#a)o% n o#)eto uede tener, a su +ez, una mezcla de sistemas estructurales% @ormado or #arras Con arre!los de #arras ueden $ormarse es"uemas estructurales muy di+ersos, de los cuales ude (acerse una rimera su#di+isión entre arre!los trian!ulares, tio armadura, y arre!los tio marco% En los rimeros las car!as e8ternas se resisten esencialmente or $uerzas a8iales en los miem#ros% En los arre!los no trian!ulados, o tio marco, la transmisión de las car!as imlica la aarición de ?e8ión y cortante% Aam#ién uede (acerse una distinción entre los sistemas #idimensionales, o a"uellos "ue ueden considerarse comuestos or su#sistemas m's #idimensionales $acti#les de analizarse en $orma indeendiente, y los sistemas "ue solo ueden analizarse como tridimensionales% Btro asecto imortante es di$erenciar el comortamiento estructural de losa aoyo, es el tio de unión entre las #arras, "ue uede ser aoyo simle, articulación o nodo r-!ido caaz de transmitir momentos% #ase de lacas 7ediante arre!los +erticales :muros; y (orizontales :losas; se ueden $ormar sistemas de di+ersas caracter-sticas, los "ue en !eneral se ueden denominar tio ca)ón% a so#reosición de lacas simlemente aoyadas en una sola dirección y muros, inte!ra un sistema e"ui+alente al oste y el dintel y "ue tiene limitaciones seme)antes% a $alta de continuidad en los aoyos lo (ace muy +ulnera#le ante acciones accidentales "ue ueden introducir tensiones +erticales o es$uerzos cortantes en la cone8ión% a rincial limitación es la escasa resistencia a car!as laterales "ue de#en ser resistidas or ?e8ión normal al lano de los muros5 or los esesores normalmente del!ados de los muros, estos resultan dé#iles a ?e8ión% El sistema $ue muy emleado en edi*cios de +arios isos a #ase de muros de car!a de mamoster-a en zonas no s-smicas, ero se ten-a "ue recurrir a esesores cada +ez m's e8a!erados a medida "ue crec-a el n.mero de isos% Este tio de estructuración es el com.n en los edi*cios a #ase de muros de car!a alineados en dos direcciones orto!onales% 3e emlean muros de mamoster-a y losa de concreto o muros y losa de concreto, esto .ltimo rincialmente con elementos re$a#ricados, ara los cuales es articularmente cr-tico el diseo de las cone8iones% En edi*caciones de ocos isos el sistema tio ca)ón se inte!ra tam#ién con ta#leros de madera% &e iso En la mayor-a de las construcciones, y rincialmente en los edi*cios, ueden identi*carse dos su#sistemas estructurales acerca de los cuales ueden tomarse al!unas decisiones indeendientes, relati+as a la solución m's con+eniente, antes de roceder al an'lisis de la estructura comleta% Estos su#sistemas son el (orizontal y los sistemas de iso, y el +ertical, o de soorte% esar de esta su#di+isión, es imortante tener en mente "ue el sistema estructural de la construcción es una sola unidad y "ue la interacción entre los di+ersos su#sistemas i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
no es en !eneral desrecia#le% Casi toda construcción re"uiere isos con suer*cie de aoyo suerior (orizontal y con suer*cie in$erior "ue no de#e di$erir muc(o de la (orizontal% a $unción estructural de un sistema de iso es transmitir las car!as +erticales (acia los aoyos "ue a su +ez las #a)an (asta la cimentación% Es casi siemre necesario "ue cumla adem's la $unción de conectar los elementos +erticales y distri#uir entre ellos las car!as (orizontales, ara lo cual de#e $ormar un dia$ra!ma con alta ri!idez en su lano% Por ser los de iso sistemas lanos, las car!as +erticales introducen momentos ?e8ionantes imortantes, lo "ue (ace cr-ticos los ro#lemas de ?ec(as y +i#raciones6 de manera "ue el esesor y las caracter-sticas "ue de*nen la ri!idez del sistema de iso est'n re!idas !eneralmente or el cumlimiento de estados l-mite de ser+icio% a +ariedad de soluciones estructurales "ue ueden darse a un sistema de iso es muy !rande% En estos sistemas donde mayor es el n.mero de inno+aciones "ue se resentan continuamente, li!adas so#re todo a tecnolo!-as de construcción "ue tratan de (acer m's r'ida y m's sencilla la $a#ricación% En el asado, la mayor-a de los sistemas de iso se constru-an or la so#reosición de elementos "ue tra#a)an en $orma r'cticamente indeendiente% El elemento de cu#ierta se aoya so#re ret-culas orto!onales sucesi+as de +i!as simlemente aoyadas unas so#re otras y distri#uidas a manera de lle+ar en la $orma m's directa la car!a (acia los aoyos +erticales% as +i!as aumentan su eralte a medida "ue se rocede de arri#a (acia a#a)o, ya "ue tienen "ue soortar una car!a cada +ez mayor y su claro tam#ién crece% El esesor total del sistema de iso resulta de la suma de los eraltes necesarios ara los elementos indi+iduales% El sistema se ori!inó en las rimeras construcciones de ta#lones y +i!as de madera, ero se (a emleado en di+ersos materiales y se si!ue usando esecialmente con +i!as de acero "ue soortan cu#iertas de di$erentes materiales% 3e trata de una $orma muy oco e*ciente de resistirlas car!as, ya "ue se desrecia la oortunidad de lo!rar el tra#a)o de con)unto de los di$erentes elementos y (acer "ue resista la ?e8ión aro+ec(ando el eralte total del sistema de iso% En la construcción moderna ara todos los materiales se (an desarrollado rocedimientos "ue lo!ran el tra#a)o inte!ral de los di$erentes elementos% Esto se o#tiene de manera natural en las estructuras de concreto $a#ricadas en sitio, mientras "ue en otras estructuras se re"uieren elementos de cone8ión con caacidad de transmitir es$uerzos cortantes (orizontales, como se mencionó al tratar los di$erentes tios de lacas% El a(orro sustancial en las dimensiones de las +i!as )usti*ca, en !eneral, amliamente el costo de los disositi+os de cone8ión% En estos sistemas el esesor de la laca de iso con+iene "ue sea el m-nimo necesario or re"uisitos constructi+os, de aislamiento o de resistencia al imacto% a ret-cula de +i!as inmediatamente in$erior de#e tener la searación m'8ima con la "ue la laca de iso $unciona adecuadamente desde el unto de +ista estructural6 si esto ermite (acer coincidir las +i!as con la osición re+ia ara los aoyos, no son necesarias ret-culas adicionales% El arre!lo de +i!as de#e (acer m-nimo el esesor necesario de losa y adem's de#e rocurar una estandarización de elementos ara *nes de econom-a y sencillez de construcción% Cuando la distri#ución de aoyos es re!ular, los arre!los de +i!as son claros y sencillos6 ara distri#uciones de aoyos o $ormas de la lantas irre!ulares% El arre!lo de +i!as uede resultar m's comle)o% En al!unos sistemas de construcción se $orman ret-culas de +i!as con searaciones muy i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
e"ueas, de manera "ue el $uncionamiento del sistema de iso e"ui+ale al de una laca cuyas roiedades se ueden i!ualar a las de un anc(o unitario de la ret-cula de +i!as y losa% Esta idealización es aceta#le cuando la searación de +i!as :llamadas en este caso ner+aduras; no e8cede de una octa+a arte del claro% os sistemas de iso "ue se ueden idealizar como lacas resentan las modalidades de $uncionamiento estructural "ue se mencionaron al tratar dic(os elementos5 losas en una dirección, losas en dos direcciones aoyadas en su er-metro y losas en dos direcciones so#re aoyos untuales% l!unos de los sistemas de iso m's comunes se descri#ir'n a!ru'ndolos se!.n el rincial material "ue los constituye% En madera, el sistema m's anti!uo a #ase de ta#lones so#re ret-culas de +i!as (a ido e+olucionando, rimero con el mac(im#rado de las ta#las ara "ue $uncionen como laca en la "ue sea $acti#le la reartición de al!una car!a concentrada ele+ada entre di+ersos elementos, y desués con la su#stitución de la ta#la con lacas de madera contrac(aeada% En claros !randes, las +i!as de sección rectan!ular se sustituyen or e"ueas armaduras del mismo material% Es cada +ez m's $recuente el emleo de métodos de cone8ión entre las +i!as y la laca "ue ermitan la transmisión de cortantes y ase!uren un $uncionamiento de sección comuesta% Estos isos, )unto con muros de car!a de estructuración similar, $orman estructuras tio ca)ón, "ue se ueden re$a#ricar or secciones y ensam#lar en la o#ra con muc(a $acilidad y es muy oular en al!unos a-ses ara construcciones e"ueas% El concreto re$orzado es el material m's emleado ara sistemas de iso or su dura#ilidad, malea#ilidad y econom-a% a losa maciza en dos direcciones aoyada so#re muros de car!a es el sistema t-ico ara claros e"ueos, como los usuales en la +i+ienda económica% E8isten di+ersas +ariantes "ue no alteran el $uncionamiento estructural como losa maciza, ero "ue resentan al!unas +enta)as constructi+as% a mayor-a de ellas est'n asociadas con la intención de reducir la cim#ra "ue es resonsa#le de una $racción si!ni*cati+a del costo total y del tiemo de e)ecución% os sistemas de +i!uetas y #o+edillas o de semi+i!uetas y #o+edillas ermiten la inte!ración de unas +i!as re$a#ricadas de concreto res$orzado, o tio armadura, con una caa de comresión colada en sitio% a losa se (ace tra#a)ar !eneralmente en una sola dirección, lo "ue reduce en arte la e*ciencia, ero or otra arte se aro+ec(a acero de re$uerzo de mayor resistencia y se tienen eraltes mayores con menos cantidad de concreto y acero con resecto a una losa maciza% as #o+edillas son elementos de cim#ra y ali!eramiento de la losa% a caa de comresión +aciada en sitio roorciona la continuidad entre los distintos elementos y es necesaria ara la acción de dia$ra!ma ante $uerzas en el lano de la losa% El me)or aislamiento térmico y ac.stico "ue se o#tiene or los mayores esesores y or los elementos (uecos de ali!eramiento es una +enta)a imortante de estos sistemas% Con+iene llamar la atención so#re un asecto articular del diseo de estos sistemas y el !eneral de todos los de construcción comuesta, en los "ue se retende "ue al!.n elemento re$a#ricado soorte inicialmente todo el iso, el cual ad"uiere su resistencia *nal y tra#a)a en $orma inte!ral sólo desués del $ra!uado del concreto +aciado en sitio% El elemento re$a#ricado de#e disearse ara soortar el eso roio de todo el iso m's las car!as de construcción, de#ido a "ue en un sistema de iso el eso roio reresenta una arte imortante de la car!a total, esta condición de diseo resulta muy cr-tica y (ace "ue el elemento en cuestión resulte muy ro#usto o "ue se re"uiera un auntalamiento ro+isional% El i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
é8ito de los sistemas de este tio se $unda en el !rado en "ue se lo!re resol+er este asecto sin a$ectar el costo ni la raidez de construcción% En el camo de la re$a#ricación es !rande el n.mero de +ariantes de losas recoladas, !eneralmente ali!eradas y res$orzadas, "ue se tienen diseadas ara tra#a)ar en una o dos direcciones% El sistema de losas y +i!as de concreto $a#ricadas en sitio es la solución m's usual ara estructuras a #ase de marcos% Aradicionalmente, se (an diseado estos isos considerando de manera indeendiente el tra#a)o de la losa aoyada erimetralmente so#re las +i!as y el de éstas .ltimas soortando car!as "ue se encuentran en su 'rea tri#utaria de losa, ero incluyendo una orción de losa como arte inte!rante de la +i!a con una sección en A% El diseo de las losas se (a simli*cado mediante coe*cientes "ue ermiten determinar los momentos romedio en $ran)as de cierta lon!itud y "ue se deri+an del an'lisis el'stico de lacas, ero corre!idas ara tomar en cuenta las redistri#uciones de momentos "ue se resentan en estos elementos altamente (ierest'ticos, as- como cierta interacción con las +i!as de aoyo% Procedimientos de este tio se encuentran, or e)emlo en las normas técnicas comlementarias ara estructuras de concreto del Re!lamento ara Construcciones del &istrito @ederal% Cuando el eralte de las +i!as no es netamente suerior al de las losas, ya no es aceta#le suoner "ue estas constituyen aoyos in*nitamente r-!idos ara las losas y es necesario considerar el con)unto +i!alosa es "ue tiene "ue transmitir las car!as or ?e8ión en dos direcciones5 el método del marco e"ui+alente del códi!o CI reresenta una $orma uni*cada de analizar sistemas de iso en dos direcciones, indeendientemente de la e8istencia o no de +i!as y del aoyo% Este método constituye una $orma racional de an'lisis ara situaciones como la mencionada% Para claros considera#les resulta económico recurrir a +i!as res$orzadas conectadas a losas tam#ién re$a#ricadas o coladas en sitio6 trat'ndose de secciones comuestas, de#e disearse un rocedimiento de cone8ión "ue ase!ure la continuidad entre los distintos elementos constructi+os% a losa aoyada directamente so#re columnas es una solución "ue se (a +uelto muy oular ara isos de concreto re$orzado, mediante una cim#ra sencilla se lo!ra una suer*cie in$erior lana, con un eralte total muy reducido del sistema de iso y con !ran raidez de construcción% Para claros e"ueos la solución de laca lana maciza es la m's con+eniente, mientras "ue ara claros mayores el eralte necesario (ace esta solución muy esada y o#li!a al emleo de '#acos y caiteles, en el sistema denominado roiamente losa lana, con el *n de mantener e"ueo el esesor de la mayor arte de las losas% Para edi*cios comunes esta .ltima solución es oco con+eniente or la o#strucción "ue ocasionan los '#acos y caiteles en el esacio (a#ita#le% 7's atracti+o resulta ara estos casos el ali!eramiento $ormando (uecos or medio de elementos remo+i#les o "ue "uedan $ormando arte de la losa, llamado es este caso losa reticular% 3e !enera en esta $orma una ret-cula de ner+aduras oco esaciadas en las "ue se concentra el es$uerzo de ?e8ión% El an'lisis de estos sistemas se realiza con métodos aro8imados "ue ermiten calcular "ue $racción de los momentos ?e8ionantes totales en cada dirección de#e ser resistida or di$erentes $ran)as de losa% Pro#lemas esec-*cos de estas losas son el diseo or cortante de la zona alrededor de la columna ara e+itar "ue $alle or unzonamiento y al!unos asectos del diseo s-smico%
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El acero se emlea ara construir el sistema de iso comleto solo en al!unas estructuras industriales% 3u $unción m's com.n es en +i!as de sistemas mi8tos con losas de concreto% Due+amente, resulta muy atracti+o económicamente aro+ec(ar la acción comuesta de la +i!a con la losa mediante el emleo de conectores% as +i!as de acero de alma a#ierta o de secciones de l'mina do#lada roorcionan en !eneral soluciones m's li!eras y económicas "ue los er*les laminados y "ue otras +i!as de alma llena, aun"ue dan lu!ar a un comortamiento menos d.ctil "ue el de los rimeros% Due+amente, e8isten di+ersas +ariantes "ue retenden simli*car la cim#ra y la construcción de la losa% na de ellas usa una l'mina de acero corru!ada aoyada so#re las +i!as, como cim#ra de la losa de concreto, con la cual se lo!ra continuidad or medio de corru!aciones en las l'minas en las cuales enetra el concreto roduciendo un ancla)e mec'nico% &e esta manera la l'mina de acero de alta resistencia, tra#a)a en tensión eliminando o reduciendo la necesidad de re$uerzo en el lec(o in$erior% El sistema es articularmente iniciado ara isos "ue de#en soortar car!as ele+adas% a construcción comuesta resulta muy económica cuando se emlean elementos li!eros de acero como er*les de l'mina del!ada o e"ueas armaduras conectadas a la losa de concreto% Para edi*cios de +arios isos 3e trata a"u- esecialmente el sistema +ertical resistente de los edi*cios, en articular en lo re$erente a su e*ciencia ara resistir las car!as laterales de +iento o sismo, cuya imortancia crece a medida "ue aumenta la altura del edi*cio% o ideal ser-a "ue el sistema estructural "ue se re"uiere y "ue reresenta la solución ótima ara resistir las car!as +erticales de diseo, resultase su*ciente ara resistir tam#ién sin modi*cación al!una tam#ién las car!as laterales contando ara ello con la reducción en los $actores de se!uridad "ue admiten las normas de diseo ara resistir esta .ltima condición de car!a, or ser de tio accidental% 3in em#ar!o, esto lle!a a ser cierto solo en edi*cios de ocos isos y en zonas donde las acciones de diseo or sismo o +iento son moderadas% medida "ue crece la altura, las modi*caciones ara resistir car!as laterales son mayores% El ro#lema uede lantearse como el de so#rerecio "ue (ay "ue a!ar ara la resistencia a car!as laterales, el cual aumenta con el n.mero de isos (asta "ue, ara edi*cios muy altos, este es el asecto "ue domina la elección del sistema estructural m's aroiado% El sistema estructural de#e ermitir roorcionar resistencia a las $uerzas laterales y ri!idez ara mantener las de$ormaciones ante esas car!as dentro de los l-mites tolera#les% El se!undo asecto suele ser m's decisi+o "ue el rimero ara de*nir el es"uema estructural aroiado% Como ya se auntó anteriormente, no uede seararse de manera ta)ante el estudio del sistema de soorte +ertical del relati+o a los sistemas de iso de un edi*cio, ya "ue el tra#a)o con)unto es el "ue de*ne el comortamiento y la e*cacia, esecialmente en lo "ue se re*ere a las car!as laterales% Por ello, aun"ue el én$asis se on!a en el sistema +ertical, se (ar' mención de la interacción de este sistema con el sistema de iso% os rimeros sistemas estructurales emleados ara construcciones de m's de un iso $ueron ro#a#lemente de madera6 sin em#ar!o, ocas +eces las construcciones de este tio (an re#asado los dos ni+eles y no or limitaciones de tio estructural, ya "ue en este asecto odr-a $'cilmente suerarse la decena de isos% El uso de la
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madera ara edi*cios de +arios isos (a sido limitado or la se!uridad contra incendio% os muros de car!a de mamoster-a (an constituido el sistema estructural cl'sico ara edi*cios de +arios ni+eles, asociados a sistemas de iso de madera o de #ó+eda de mamoster-a% a limitación de este sistema se de#e a "ue su escasa resistencia en comresión y en tensión o#li!a a una lata densidad de muros con esesores considera#les% Por ello la estructuración es aceta#le solo cuando el uso de la construcción imlica la su#di+isión del esacio en 'reas e"ueas, como en edi*cios de +i+ienda y (ositales% En la actualidad la construcción a #ase de muros de car!a de mamoster-a se emlea usualmente ara edi*cios (asta cerca de cinco isos, aun"ue e8isten e)emlos de construcciones de 1 o m's isos con muros de mamoster-a de iezas de alta resistencia y con altas cantidades de re$uerzo% El material m's aroiado ara la estructuración con muros de car!a es el concreto, sea en la modalidad de concreto colado en el lu!ar o en la de aneles re$a#ricados, esta muy oular en di+ersos a-ses% a mayor limitación de esta solución a #ase de muros de car!a es la $alta de ?e8i#ilidad en el uso del esacio interior de la construcción% a distri#ución de 'reas no uede modi*carse en el tiemo, de#ido a "ue los muros tienen $unción estructural y la distri#ución de éstos no uede alterarse de un iso a otro% &esde el unto de +ista estructural las +enta)as #'sicas son, como se mencionó en temas anteriores, la transmisión de car!as +erticales or $uerzas esencialmente a8iales y la !ran ri!idez ante car!as laterales "ue se lo!ra or la alta densidad de muros en am#as direcciones% 3olo cuando se comenzó a utilizar el acero con *nes estructurales en los edi*cios, se lla!aron a o#tener esacios li#res interiores de dimensiones arecia#les y con osi#ilidad de adatarlos a di$erentes usos, lo "ue roorcionó el inicio de la construcción de los edi*cios realmente altos% En un rinciio las +i!as y columnas de acero no $orma#an roiamente un marco r-!ido, ya "ue no se constru-an con cone8iones caaces de transmitir momentos% Estos edi*cios, (asta de un ar de decenas de isos, conta#an con la contri#ución de al!unas aredes di+isorias y de $ac(ada :suuestamente no estructurales; ara lo!rar cierta ri!idez y resistencia ante car!as laterales% 3in em#ar!o, solo la adoción del marco r-!ido en la rimera década de este si!lo ermitió suerar esas alturas y lle!ar a edi*caciones del orden de los 0 isos% El marco r-!ido de acero $ue el re$erido ara los rascacielos, or la raidez de construcción y or la oca 'rea de columnas "ue se tiene en las lantas% l!unas décadas m's tarde se comenzaron a usar los marco de concreto ara edi*cios (asta de 20 a F0 isos, aro+ec(ando el menor costo "ue en muc(os a-ses se ten-a con este sistema estructural% 3in em#ar!o, la érdida ro!resi+a de 'rea .til "ue se ten-a or las dimensiones de columnas cada +ez mayores a medida "ue aumenta#a el n.mero de isos, limitó el emleo de este sistema y dio lu!ar al desarrollo de otros "ue no tu+ieran esa de*ciencia% En los edi*cios muy altos, destinados rincialmente a o*cinas, la necesidad de !randes esacios li#res se +uel+e cr-tica en todos o al menos en al!unos de los i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
isos% Por otra arte, el marco es estructura "ue resiste car!a laterales esencialmente or ?e8ión de sus miem#ros, lo "ue lo (ace oco, esecialmente cuando los claros son considera#les% o anterior ocasiona "ue la estructuración a #ase de marcos no sea muy e*ciente ara edi*cios altos% medida "ue crece el n.mero de isos, es mayor la cantidad en "ue (ay "ue incrementar las dimensiones de las +i!as y columnas, so#re las necesidades ara resistir las caras y ri!idez necesarias ante car!as laterales% El so#reeso "ue (ay "ue a!ar ara resistir las car!as (orizontales es considera#le% Do es osi#le *ar un l-mite !eneral ara el n.mero de isos "ue es económicamente con+eniente estructurar con marcos% En zonas oco e8uestas a sismos o (uracanes este l-mite se encuentra en oco m's de 20 isos% En zonas de alto ries!o s-smico es ro#a#lemente menor de 10 isos% a $orma m's sencilla de ri!idizar un marco ante car!as laterales sin erder todas sus +enta)as, es colocar en al!unas de sus cru)-as un contra+enteo dia!onal o li!arlos a al!.n muro de ri!idez de mamoster-a :ara edi*cios no muy altos; o de concreto% Esta (a sido la $orma m's oular de ri!idizacón tanto ara marcos de concreto como de acero% Como se e8uso anteriormente, am#os casos ueden +isualizarse como una +i!a +ertical de !ran eralte y en +oladizo% Esta !ran ri!idez cuando la relación altura a lon!itud del muro o de la cru)-a contra+enteada es relati+amente e"uea% En estos casos el muro a#sor#e r'cticamente la totalidad de las car!as laterales, mientras "ue el diseo del marco "ueda re!ido or la resistencia a car!as +erticales .nicamente% Cuando la relación altura lon!itud del marco crece, se reduce muy r'idamente su ri!idez y se resenta una interacción #'sicamente comle)a en el muro% E8iste una di$erencia imortante en "ue los dos tios de sistemas se de$orman lateralmente% En un marco la de$ormación de un iso relati+a al in$erior :deslazamiento relati+o de entreiso; es roorcional a la $uerza lateral total alicada arri#a de dic(o entreiso :cortante de entreiso;, de manera "ue el deslazamiento relati+o de entreiso tiende a ser mayor en los isos in$eriores "ue en los sueriores :a menos "ue las dimensiones de las secciones se reduzcan radicalmente con la altura;% En el muro es#elto, or el contrario, los deslazamientos relati+os crecen en los isos sueriores, ya "ue las de$ormaciones de cortante de)an de ser si!ni*cati+as y la de$ormidad del muro es como la de una +i!a en +oladizo% Para "ue un muro ri!idice una estructura de manera e$ecti+a, su condición de#e tener un momento de inercia tal "ue e+ite "ue se resente el $enómeno descrito anteriormente% En los edi*cios de ocas decenas de isos es relati+amente sencillo disoner de uno o m's muros "ue cumlen esta condición, sea en el interior de la lanta o en la $ac(ada o, en $orma m's e*ciente, aro+ec(ando un n.cleo "ue encierra ductos de ser+icios :escaleras, ele+adores, instalaciones; "ue or su sección cerrada roorcione ri!idez% Por ello la estructuración de marcos con muros de ri!idez es la solución m's com.n en edi*cios de esta -ndole, en zonas donde se de#en resistir $uerzas laterales si!ni*cati+as% n asecto imortante es "ue la u#icación de los muros en lanta sea simétrica ara "ue no se resenten torsiones en la resuesta ante car!as laterales% E8isten di+ersos rocedimientos ara aumentar la ri!idez de los muros cuando la altura del edi*co es considera#le% no consiste en acolar dos o m's muros a tra+és
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de +i!as de #uen eralte en cada iso, las "ue restrin!en los !iros de los muros en cada ni+el y tienden a (acer tra#a)ar los muros "ue acolan como una unidad% a e*ciencia de los muros acolados deende de la ri!idez de la +i!a "ue los conecta, la cual est' su)eta a $uerzas cortantes considera#les y re"uiere un cuidado esecial en su diseo y detallado% En lu!ar de acolar los muros en todos los isos uede otarse or (acerlo solo en al!unos de ellos mediante una +i!a cuyo eralte sea el de todo un entreiso a tra+és del cual se cancela localmente el aso% 3e o#tiene lo "ue se denomina un macromarco, ya "ue los muros en lu!ar de comortarse como +oladizos se de$orman como marcos de uno o m's ni+eles se!.n el n.mero de +i!as de acolamiento "ue se colo"uen% En otra modalidad, las +i!as de !ran eralte del caso anterior, en lu!ar de conectar entre s- dos o m's muros, conectan un solo muro, o m's !eneralmente un !ran n.cleo central, con las columnas de los marcos en las cuales, al tratar de ?e8ionarse el muro, se introducen car!as a8iales "ue tienden a e"uili#rar el momento ?e8ionante en cada iso, incrementando nota#lemente la ri!idez del con)unto% a e*ciencia es mayor si se colocan estas +i!as de !ran eralte en +arios isos% En edi*cios de muc(as decenas de isos ya no es su*ciente la ri!idez "ue ueden roorcionar al!unos muros o un n.cleo central, y la necesidad de contar con el mayor esacio osi#le en el interior lle+a naturalmente a tratar de aro+ec(ar la $ac(ada ara dar ri!idez ante car!as laterales% a solución m's e*ciente es conra+entear todo el er-metro e8terior de la construcción de manera "ue act.e como un !ran tu#o, aro+ec(ando la m'8ima sección disoni#le% n $uncionamiento similar se o#tiene si en lu!ar de tener un arre!lo trian!ulado de los elementos de $ac(ada, se tiene una ret-cula $ormada or columnas muy oco esaciadas y or +i!as de iso de alta ri!idez, de manera "ue las de$ormaciones de ?e8ión de las columnas sean e"ueas y el tra#a)o de estas sea $undamentalmente a car!a a8ial% En este sistema, llamado com.nmente de tu#o, se aro+ec(an las columnas de $ac(ada inte!r'ndolas a la +entaner-a y reduciendo muc(o el costo de ésta% Este (a sido el sistema estructural m's oular en los .ltimos 20 aos ara los mayores rascacielos construidos en EE, (asta suerar los 100 isos% E8isten di+ersas +ariantes "ue tienden a o#tener una ri!idez toda+-a mayor, como la de acolar el tu#o en un n.cleo central de muros de concreto :tu#o en tu#o; o de su#di+idir la lanta en una serie de tu#os interiores :tu#o su#di+idido en celdas;% Incluso en el edi*cio del anco de >on! Gon! de Dorman @oster se utiliza un sistema de tu#o en $ac(ada unido a un me!a m'stil central de acero% Btra $orma de ri!idizar las $ac(adas es $ormando marcos de elementos muy ro#ustos, de manera "ue las de$ormaciones de ?e8ión sean muy reducidas% En este caso el !ran tamao de las +i!as y las columnas no inter*ere con el uso del esacio interior, aun"ue resenta cierta di*cultad ara lo!rar una solución aceta#le% n ro#lema com.n a todos estos sistemas "ue se #asan en ri!idizar la $ac(ada, es la inter$erencia con el $uncionamiento de la lanta #a)a, en la cual (ay casi siemre i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
la e8i!encia de !randes claros en la $ac(ada ara los accesos% Este ro#lema se suele resol+er emleando uno de los isos in$eriores como +i!a =irendeel ara aumentar sustancialmente el esaciamiento entre columnas de#a)o de ellas% Esta solución es de#ati#le desde el unto de +ista del comortamiento s-smico%
EL ANÁLISIS ESTRUCTURAL DENTRO DEL PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL n an'lisis estructural consistir' en identi*car los e$ectos de las car!as "ue odr-an lle!ar a a$ectar una o#ra% Para lo!rar este o#)eti+o se de#er'n se!uir tres asos% El rimero consiste en modelar la estructura or medio de otro modelo conocido, esto imlica tomar los rinciios del modelo conocido y alicarlos a mi diseo con el *n de oder analizar las roiedades de los elementos de mi modelo a tra+és de c'lculos re+iamente esta#lecidos% 3e!.n los resultados "ue se +ayan o#teniendo en el an'lisis ser'n modi*cados los +alores y roiedades del modelo con el *n de re*narlo% El si!uiente unto es acerca de identi*car las acciones de diseo, esto se a+oca a la redicción de car!as o $uerzas a)enas "ue ueden em#atir un royecto ara as- oder ser soortadas% Esto se consi!ue or medio de un sistema de $uerzas est'ticas de e$ecto e"ui+alente% Como .ltima instancia se encuentra el determinar los e$ectos de las acciones de diseo en el modelo de estructura ele!ido, "ue ser' el an'lisis !eneral de la estructura, el cual a#arcara las $uerzas internas :momentos ?e8ionantes y de torsión, $uerzas a8iales y cortantes; as- como las ?ec(as y de$ormaciones de la misma% a metodolo!-a del an'lisis se (ar' en #ase a la suosición de un comortamiento el'sticolineal%
RESEÑA HISTÓRICA DE LAS ESTRUCTURAS a construcción de estructuras es una de las m's anti!uas ramas o esecialidades de la in!enier-a% n unto de comienzo ara la In!enier-a Estructural uede *)arse en el ao 00 a%C% cuando los !rie!os emezaron a utilizar iedra ara construir estructuras cuyas columnas soorta#an +i!as (orizontales :el temlo de >era, el t.nel de Eualinos y la escollera del actual uerto de Pita!orion son las tres !randes o#ras de su in!enier-a;% la +ez "ue la e8eriencia y las re!las em-ricas i#an con$ormando el conocimiento, ristóteles y r"u-medes esta#lec-an los rinciios de la Est'tica% tilizando al!unos metales, madera, iedra y mamoster-a, los romanos continuaron construyendo, (asta la mitad del rimer milenio, introduciendo nue+as $ormas como el arco, la #ó+eda y el marco6 no $ueron, sin em#ar!o, los romanos demasiado anal-ticos ues concentraron sus es$uerzos m's en las técnicas constructi+as, so#re todo de ciertas $ormas% Aam#ién el arte de construir en (ormi!ón $ue dominado or los romanos% Construido or !ria (acia el ao 2H a%J%C% y desués reconstruido #a)o el reinado de driano entre los aos 11 y 12, el Panteón de Roma es, con su c.ula, una de las m's nota#les realizaciones romanas en (ormi!ón% En su #ó+eda se encuentra todo el sa#er (acer de la ci+ilización romana en materia de construcción% 3e trata de una semies$era de 44 m de di'metro colocada so#re una #ase cil-ndrica% El esesor +aria#le de la i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
#ó+eda ro+iene de la suerosición de anillos concéntricos osi#ilitando una #uena reartición de es$uerzos% El eso esec-*co del (ormi!ón se reduce a medida "ue disminuye el esesor de la c.ula6 esta reducción se lo!ró (aciendo +ariar el tio de 'ridos del (ormi!ón, es decir utilizando sucesi+amente y (acia arri#a $ra!mentos de ladrillo, de to#a +olc'nica y de iedra ómez% &urante la edad media :00100; la rincial aortación de la tecnolo!-a de la éoca $ueron las construcciones !óticas caracterizadas or arcos auntados esta#ilizados (orizontalmente or ar#otantes +oladores, esto demuestra "ue la construcción de edi*cios necesita de in!enio ues las !randes o#ras de la anti!edad solo usaron conocimiento rudimentario de la est'tica% ntes del renacimiento las estructuras se construyeron sin c'lculos, ero se aoya#an en un códi!o de la #uena r'ctica, "ue es un manual cuyo contenido $ue cimentado ro!resi+amente en el arte y la ciencia de construir In!enier-a Estructural% Con el aso de la (istoria se $ue er$eccionando ero siemre $ue con un car'cter artesanal% @ue eonardo da =inci "uien $ormuló los rinciios de la teor-a estructural% % Palladio ar"uitecto italiano introdu)o el conceto de cerc(a o entramado%
oe "uien en 1KK0 emite la (iótesis "ue en 1KL0 7ariotte alica lle!ando a la conclusión de "ue la resistencia a ?e8ión rocede de la e8tensión y contracción de las *#ras de la ménsula% En 1H0 Jo(ann ernouilli concluye "ue el momento ?ector en una ieza rism'tica es roorcional a la cur+atura de la misma, lo "ue dio lu!ar a estudios osteriores :de 1H441HHL; de Euler so#re la ecuación di$erencial de la el'stica y so#re la alicación de métodos +ariantes a un ro#lema de ?e8ión en +i!as y andeo de columnas asi como la $orma de una columna de ótima resistencia% Coulom# desarrollo la actual teor-a de la ?e8ión y ela#oro una teor-a de la torsión :1HLH; en la "ue suuso "ue la ri!idez del elemento torsionado era roorcional al momento de inercia olar de la sección trans+ersal, lo cual no era correcto como lo demostró las tarde 3aint=enant% Moun! en 1L0H de*nió el módulo de la elasticidad como una constante deendiente del material y or tanto susceti#le de ser determinada mediante e8erimentos% Aodos esos e+entos $ueron necesarios ara los desarrollos en materiales y rocesos de construcción "ue m's adelante en el si!lo N=III re+olucionaron las dimensiones y $ormas de las estructuras con el (ierro y el acero% En 1H0 se industrializo el acero $undido, as- "ue #ra(am &ar#y construyó el rimer uente met'lico de 20m con tramos semicirculares en Coal#roodale en In!laterra% &urante el si!lo NIN la edad de oro en la in!enier-a estructural se rodu)eron a+ances si!ni*cati+os del c'lculo estructural de#ido a estudios de $-sicos y matem'ticos% 7a8Oell y 7o(r en 1LK4 dedu)eron a artir del rinciio de los tra#a)os +isuales el método ara la determinación de deslazamientos en estructuras articuladas% &e#ido al au!e de la construcción del si!lo se $ue desarrollando la teor-a de estructuras de #arras% 3% (ile, G% Cullman y J%% 3c(Oedler $ormularon los rinciios de los entramados lanos est'ticamente determinados% Da+ier desarrollo un método ara resol+er ro#lemas (ierest'ticos #asados en la inte!ración de la ecuación di$erencial de la i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
+i!a% En 1LH Claeyron enunció su teorema de los tres momentos ara resol+er ro#lemas de +i!as continuas% resse analizó la de$ormación y distri#ución de tensiones en arcos% El tra#a)o de los in!enieros estructuralistas "ue disea#an estructuras articuladas se $acilitó con la aricion de los métodos !r'*cos de 7o(ren 1LH4, CCullman en 1LH y con el método de Ritter en 1LLF% El desarrollo de la construcción met'lica est' marcado en los si!los NIN y NN or al!unos (ec(os rele+antes de los cuales se destacan los si!uientes6 en 1L01 se construyó la rimera estructura met'lica de edi*cio en In!laterra6 Jose( Pa8ton construye en ondres el Crystal Palace, (ec(o con +idrio y metal, ara "ue al#er!ara la rimera E8osición ni+ersal de 1L16 en 1L20, Ael$ord inició la construcción de un uente col!ante :sus ori!inales ca#les de (ierro $ueron su#stituidos en 1940 or ca#les de acero; so#re los estrec(os 7enai, en el norte del Pa-s de % mmann, del uente um#er en >ull :
de la ar"uitectura cl'sica ues dicen muc(o de s- al estar en ie durante tantos aos%
MORFOLOGÍA ESTRUCTURAL ELEMENTAL a mor$olo!-a estructural estudia la $orma de las construcciones, la cual de#e conce#irse inte!rada al royecto ar"uitectónico, de tal manera "ue la estructura se inte!re al royecto, sin "ue se o#struya su $uncionamiento% E8isten +arias maneras de ela#orar un Proyecto estructural ya sea a #ase de muros de car!a re$orzados con castillos, columnas y tra#es, siendo este el sistema tradicional m's conocido y utilizado actualmente% Btro tio de estructuración es el 3istema reticular, esta roorciona mayor ?e8i#ilidad al royecto, ya "ue se emlean muros di+isorios y no de car!a, los cuales ueden mo+erse li#remente sin a$ectar la estructura del royecto, en este tio de estructura es imrescindi#le la modulación estructural, mediante tramos re!ulares de tal $orma "ue las columnas y las tra#es $ormen una ret-cula uni$orme, ya sea de manera orto!onal, radial o al!una $orma !eométrica re!ular, de manera "ue se inte!re al royecto ar"uitectónico% El sistema reticular es el m's adecuado ara la construcción de !randes edi*cios como los "ue se mencionan a continuación5 >oteles, o*cinas, lazas comerciales, edi*cios industriales, etc% Aeniendo en cuenta "ue los materiales m's utilizados actualmente son el concreto armado y el acero estructural sin de)ar de reconocer "ue los materiales l'sticos est'n !anando terreno en el asecto constructi+o% Estructuras de madera Es un material estructural tradicional% 3e caracteriza or tener resistencia y módulo de elasticidad en comresión relati+amente altos y or una #a)a resistencia a la tensión% a madera como material usado uede ser cual"uiera siemre y cuando su densidad relati+a romedio sea i!ual o suerior de 0%F% as "ue autoriza el Re!lamento de construcción del &istrito @ederal :RC&@; a usar son con-$eras y lat-$oliadas% El contenido de (umedad% 3e denomina madera (.meda a"uella "ue sea menor o i!ual a 1LS T 2S en eso% 3e denomina madera seca la "ue asa ese l-mite sin e8ceder el 0S% Es imortante sa#er cu'l es el contenido de (umedad en la madera de#ido a "ue amayor (umedad menor resistencia% Por lo cual en estos casos (ay "ue reducir los es$uerzos acetados ara tra#a)ar con esos materiales% as estructuras de madera resentan un comortamiento s-smico e8celente, de#ido a "ue son muy li!eras y las $uerzas de inercia inducidas or el sismo son e"ueas adem's de "ue la ener!-a se disia, lo cual reduce radicalmente las $uerzas "ue se induce en la estructura% Estructuras de mamoster-a lcance5 se alica al diseo de muros constituidos or iezas rism'ticas de iedra arti*cial i#lio!ra*a5 &iseo Estructural6 7eli, Ro#erto
7aciza o (uecas unidas or un mortero a!lutinante% 7ateriales ara mamoster-a% Piezas adrillos, #lo"ues de #arro, arcilla o similares, #lo"ues, ladrillo o ta#i"ue y ta#icones de concreto% Piedras naturales C(iluca, arenisca, teetate, tezontle, iedra #rasa% Piedras arti*ciales Concreto simle, concreto re$orzado, azule)os, loseta, mosaicos, ladrillo ro)o% Resistencia en comresión 3e determinar' ara cada tio de iezas de acuerdo con el ensaye eseci*cado en la DB7 C FK ara diseo se emlear' un +alor de la resistencia medida so#re el 'rea #ruta, "ue se determinar' como el "ue es alcanzado or lo menos or el 9LS de las iezas roducidas% Cuando se ten!a e+idencia de "ue el +alor m-nimo !arantizado or el $a#ricante cumle con la de*nición anterior, odr' tomarse como resistencia de diseo% 7orteros os morteros "ue se emleen en elementos estructurales de mamoster-a de#er'n cumlir con los re"uisitos si!uientes5 • •
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3u resistencia en comresión ser' or lo menos de 40 !/cm2 a relación +olumétrica entre la arena y la suma de cementantes se encontrara entre 2%2 y F% a resistencia se determinar' se!.n lo eseci*cado en la DB7 CK1 3e emlear' la m-nima cantidad de a!ua "ue como resultado un mortero $'cilmente tra#a)a#le%
Estructuras de acero En la construcción actual el acero es el material de mayor imortancia, sea "ue se utilice, solo o asociado con otro6 sin su resencia no se conci#e nin!.n edi*cio moderno% 3e uede +alorar su imortancia sa#iendo "ue su emleo con resecto a la totalidad de los metales es suerior al L0S de a(- "ue (asta los aos cincuenta era $recuente "ue )unto con el cemento $ueran los rinciales indicadores del desarrollo industrial del a-s% Proiedades $-sicas as roiedades del acero, "ue se con)untan con un #a)o costo en comaración con el de otros metales, (an roiciado su aro+ec(amiento industrial intensi+o% Elasticidad5 Recueración de su $orma inicial%
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&uctilidad5 Caacidad ara alar!arse, estirarse y adel!azarse% @or)a#ilidad5 ceta nue+as $ormas or medio de martillazos% 7alea#ilidad5 Puede alastarse en l'minas% Aenacidad5 Es resistente a la rutura% 3olda#ilidad5 3e uede e!ar mediante arco +oltaico o $usión con calor y resión% Conducti#ilidad5 Es transmisor de temeratura y electricidad lo "ue en construcción es des$a+ora#le% B8idación5 Entra en comosición con el o8-!eno, lo "ue i!ualmente es una caracter-stica inadecuada% Cortado5 Puede (acerse con $acilidad% 7anu$actura del acero a manu$actura del acero se lo!ra en altos (ornos y or di+ersos rocesos como5 essemer, siemens, eléctrico (o!ar a#ierto o inyección de o8-!eno, emleando como materias rimas ara su $a#ricación5 mineral de (ierro, car#ón y iedra caliza% Aios de aceros usados en construcción •
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os aceros 3A7 U H, U FK, U42 y 2 El rimero se utiliza en elementos estructurales de menor calidad y los dem's ara estructuras "ue re"uieren altos es$uerzos% El de alta resistencia or lo !eneral se usa en $orma de +arillas lisas o corru!adas, estas .ltimas emleadas como re$uerzo del concreto armado% os temlados ara usos eseciales%
El emleo m's usual de las estructuras met'licas es en5 •
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Estructuras de edi*cios ur#anos e industriales en5 columnas, tra#es, marcos, armaduras, sistemas de contratra#es, aoyos, etc% Estructuras de uentes5 i!ual "ue el anterior m's dia$ra!mas y araetos% Estructuras eseciales como5 tan"ues, comuertas, ductos, etc%
Por ser un material de roducción industrializada y controlada, las roiedades estructurales del acero tienen !eneralmente oca +aria#ilidad% Btra +enta)a del acero es "ue su comortamiento es er$ectamente lineal y el'stico (asta la ?uencia, lo "ue (ace m's $'cilmente redeci#le la resuesta de las estructuras de este material% as e8traordinarias cualidades estructurales del acero, y esecialmente su alta resistencia en tensión, (an sido aro+ec(adas estructuralmente en una !ran +ariedad de elementos y materiales comuestos, rimero entre ellos el concreto re$orzado y el res$orzado6 adem's en com#inación con madera, l'sticos, mamoster-a y otros%
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a osi#ilidad de ser atacada or corrosión (ace "ue el acero re"uiera rotección y cierto mantenimiento en condiciones am#ientales se+eras% El costo y los ro#lemas "ue se ori!inan or este asecto son su*cientemente imortantes ara "ue inclinen la #alanza (acia el uso de concreto re$orzado en al!unas estructuras "ue de#en "uedar e8uestas a la intemerie, como los uentes y ciertas o#ras mar-timas, aun"ue en acero odr-a lo!rarse una estructura m's li!era y de menor costo inicial% niones en una estructura met'lica as uniones en una estructura met'lica se (acen mediante, ernos, remac(es, soldaduras% os ernos y remac(es se usan en uniones o cone8iones ara armados y estructuras or lo !eneral com#inados con elementos estructurales, lacas y 'n!ulos% as secciones y los er*les se roducen en $orma comercial% a soldadura "ue com.nmente se emlea es de dos tios5 a; de arco eléctrico, y #; autó!ena :!as;% ctualmente, la rimera es la m's usual en las estructuras or"ue la se!unda tiene el incon+eniente de de#ilitar las iezas, de#ido al adel!azamiento de éstas, sin em#ar!o, la autó!ena es muy .til ara cortar iezas estructurales% Estructuras de concreto Estructuras de concreto >oy en d-a no es osi#le ima!inar la industria de la construcción sin el concreto, ni es osi#le ima!inar al concreto sin la tecnolo!-a, los e"uios, la ma"uinaria y sus rinciales comonentes5 el cemento, los a!re!ados y los aditi+os% El concreto es un material étreo de creación arti*cial roducto de la mezcla de elementos inertes, como la !ra+a y arena6 con un a!lutinante6 el cemento con a!ua% dem's, si se desea uede lle+ar di+ersos tios de aditi+os "ue modi*car'n sus roiedades iniciales% Caracter-sticas del concreto% a; os elementos "ue inte!ran su mezcla son de dos tios5 cti+os5 cemento y a!ua "ue al entrar en contacto entre si !enerar'n una reacción "u-mica mediante la cual la masa emieza a $ra!uar (asta "ue a los 2L d-as alcanza su resistencia de royecto, ermitiendo "ue todo elemento inmerso en ella "uede su)eto en $orma de*niti+a% Inertes son a!re!ados étreos, minerales o de al!una otra naturaleza% Entre los rimeros redominan las !ra+as y las arenas cuya $unción ser' dar la estructura al concreto y "uedar' amal!amada or la asta de cemento alo)ada en los (uecos $ormados en ella% #; a resistencia del concreto estar' re+ista re+iamente a su $a#ricación al redeterminar las cantidades de cemento a!re!ados y a!ua "ue articiar'n en la mezcla las roorciones +ariar'n se!.n la resistencia "ue se desee o#tener, oscilando de acuerdo con los si!uientes orcenta)es5
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V Cemento5 10 a 1 S V !re!ados5 H0 a H S V !ua y aire5 12 a 1 S Aios de cemento El concreto ara estructuras odr' usar cual"uier tio de cemento5 Aio I% Dormal de uso !eneral% Aio II% 7odi*cado con menos calor de (idratación y resistente a los sul$atos% Aio III% &e resistencia r'ida6 su $ra!uado es r'ido Aio I=% &e #a)o calor6 es recomenda#le ara !randes +ol.menes de concreto or tener un $ra!uado inicial lento% Aios de concreto Concreto simle es un material de alta resistencia a los es$uerzos de comresión, de #a)a resistencia a los es$uerzos cortantes y de nula resistencia a los es$uerzos de tensión El concreto re$orzado es el m's oular y desarrollado de estos materiales, ya "ue aro+ec(a en $orma muy e*ciente las caracter-sticas de #uena resistencia en comresión, dura#ilidad, resistencia al $ue!o y malea#ilidad del concreto, )unto con las altas resistencias en tensión y ductilidad del acero, ara $ormar un material comuesto "ue re.ne muc(as de las +enta)as de am#os materiales comonentes% Por su malea#ilidad, el concreto se resenta a tomar las $ormas m's adecuadas ara el $uncionamiento estructural re"uerido y, de#ido a la li#ertad con "ue se uede colocar el re$uerzo en di$erentes cantidades y osiciones, es osi#le lo!rar "ue cada orción de la estructura ten!a la resistencia necesaria ara las $uerzas internas "ue se resentan% El concreto res$orzado "ue consiste en inducir es$uerzos de comresión en las zonas de concreto "ue +an a tra#a)ar a tensión y as- lo!rar "ue #a)o condiciones normales de oeración, se eliminen o se reduzcan los es$uerzos de tensión en el concreto y or tanto no se roduzca a!rietamiento% as comresiones se inducen estirando el acero con "ue se re$uerza la sección de concreto y (aciéndolo reaccionar contra la masa de concreto% Estructuras de ca#les Por su simlicidad, +ersatilidad, resistencia y econom-a, los ca#les se (an con+ertido en un elemento imrescindi#le en muc(as o#ras de in!enier-a% Pensemos en los uentes col!antes, no solo los !randes sino tam#ién los e"ueos construidos ara comunicar +eredas en zonas rurales, las !arruc(as, los sistemas de transorte de roductos a!r-colas en los culti+os, los sistemas de intercone8ión eléctrica, los ca#les ara ostensado en una o#ra de (ormi!ón, los tensores o contra+ientos ara luminarias y ostes, a!odas o tec(os, etc%
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Por su ?e8i#ilidad, los ca#les solo a!uantan $uerzas de tracción, se comortan de $orma in+ersa a los arcos, en los cuales, de#ido a su cur+atura, los es$uerzos cortantes y de ?e8ión se ueden (acer nulos y los es$uerzos de comresión se con+ierten en el soorte de la estructura% En el caso de un ca#le, la !eometr-a "ue él ad"uiere al alicar las car!as, es tal, "ue ase!ura el cumlimiento de las leyes de e"uili#rio con el solo tra#a)o a tracción del elemento% El tio de !eometr-a "ue ad"uiere un ca#le deende del tio de car!as actuantes% Para ca#les sometidos a car!as uni$ormes en la royección (orizontal, ad"uieren una $orma ara#ólica si!uiendo la $orma del dia!rama de momentos de una +i!a simle6 ca#les sometidos a car!as untuales ad"uieren una $orma discontinua en cada unto de alicación de las car!as y ca#les sometidos a su roio eso :en este caso no es una car!a uni$orme; $orman una cur+a llamada catenaria% n e)emlo de este .ltimo caso es el de las redes de ener!-a% En el caso de "ue la ?ec(a del ca#le :distancia +ertical desde los e8tremos (asta el unto m's #a)o; no sea muy !rande, esta catenaria se uede aro8imar a una ar'#ola% Para el an'lisis se consideran totalmente ?e8i#les e ine8tensi#les de tal manera "ue en toda su lon!itud los es$uerzos solo ser'n a8iales de tracción y siemre tan!enciales a la cur+a del ca#le% Estructuras de l'stico e in?a#les os l'sticos reresentan la mayor +ariedad de uso en la construcción de edi*cios% as m.ltiles roiedades del material y de los rocesos de moldeo roorcionan un camo ilimitado ara la ima!inación de los royectistas% as rinciales des+enta)as son su $alta de resistencia al $ue!o, escasa ri!idez, !randes +ariaciones or e8ansión térmica, entre otras% BWE3 &E P3AICB5 3on muy !ruesos, al tener una caa de aire en el interior, son #uenos aislantes ac.sticos y térmicos% Resisten #ien a cam#ios de temeratura% 3on trasl.cidos% PBICRBDAB5 Pl'stico "ue se derrite a altas temeraturas y se endurece en estado +-treo% Permite construir cu#iertas de amlias roorciones% Es trasl.cido y rote!e de los rayos =% Imermea#le y resistente a las car!as de +iento% &e $'cil instalación% 7ID EA@E :EAIAEAR@BREAIEDB;5 7aterial "ue $unciona como #uen aislante térmico, es 10 +eces m's li!ero "ue el +idrio, resiste (asta 400 +eces su roio eso% 3e unen suer*cies lanas ara $ormar una cur+a ara cu#rir !randes esacios sin soortes internos% l ser una estructura !rande se (ace m's li!era y m's $uerte% E3ARCAR3 DE7XAIC35 3on in?a#les, li!eras y desmonta#les% Est'n sometidas $undamentalmente a es$uerzos de tracción% E3ARCAR3 7IDRE35 3e caracterizan or estar $ormadas or l'minas de material donde los elementos estructurales son ner+ios "ue recorren la estructura o artes de la suer*cie "ue tienen un !rosor mayor%
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E3ARCAR3
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