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PRINCIPIOS GENERALES DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS MÉTALICAS

El propósito fundamental del diseñador de estructuras es lograr una estructura económica y segura, que cumpla con ciertos requisitos funcionales y estéticos. Para alcanzar esta meta, el diseñador  debe tener un conocimiento completo de las propiedades de los materiales, del comportamiento estructural, de la mecánica y análisis estructural, y de la relación entre la distribución y la función de una estructura; debe tener también, una apreciación clara de los valores estéticos con objeto de trabajar en colaboración con otros especialistas y contribuir así al desarrollo de las cualidades funcionales y ambientales deseadas en una estructura.


PRINCIPIOS GENERALES DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS MÉTALICAS

En gran parte, el diseño estructural es un arte basado en la habilidad creativa, imaginación y experiencia del diseñador. Siempre que el diseño estructural tenga estas cualidades, será un arte. Sin embargo, no debe permanecer como un arte puro, ya que el usuario debe recibir los mayores beneficios dentro de sus posibilidades económicas. Esto requiere el desarrollo de nuevos tipos de estructuras y nuevas técnicas de construcción, las que a menudo necesitan soluciones más científicas y rigurosas; así pues, la mecánica y el análisis económico deben intervenir en el arte de crear mejores edificios, puentes, máquinas y equipos. En el sentido amplio de la palabra el término “diseño” incluye tanto arte creativo como análisis científico.

La construcción de los monumentos egipcios, los templos griegos y los puentes romanos era arte basado principalmente en reglas empíricas, intuición y experiencia. El enfoque racional del diseño estructural, cuyo desarrollo tuvo comienzo en el siglo diecisiete, representa un acuerdo entre el arte y la ciencia, entre la experiencia y la teoría.

La teoría de las estructuras y la evidencia experimental son herramientas valiosas para el diseño estructural, mas no son suficientes para establecer un procedimiento de diseño completamente científico ya que en primer término, para hacer posible un análisis teórico, es necesario idealizar considerablemente el comportamiento estructural por medio de suposiciones ingenieriles bien fundamentadas, de modo que las fuerzas internas y los desplazamientos calculados representen solamente aproximaciones de los que realmente se presentan en las estructuras. Asimismo, la resistencia de las estructuras reales a las cargas y a las deformaciones pueden determinarse sólo aproximadamente. Además, las estructuras están sujetas frecuentemente a fuerzas y condiciones de servicio que no pueden ser previstas con precisión. De esta manera, la experiencia y el buen juicio siempre juegan un papel importante en la práctica del diseño estructural, aunque no son suficientes por sí solos, sino que deben ser guiados por el análisis científico, basado en la comprensión completa de la teoría de las estructuras y de la mecánica estructural.

COLUMNAS FÓRMULAS Y CÁLCULOS

1.  Cálculo del refuerzo longitudinal
Tanteo inicial (se propone la sección, mínimo 40 x 40 cm)

Para poder calcular la resistencia de una sección flexocomprimida (que es el caso más crítico en compresión), en necesario primero revisar que:
y posteriormente que la excentricidad accidental no se mayor que:
Si no se cumplen cualquiera de las dos condiciones anteriores, significa que la columna es demasiado esbelta, es decir, que su relación ancho alto es muy alta, por lo cual hay que reducir la altura de la columna, lo cual es menos probable por los requisitos arquitectónicos; o aumentar la sección de la misma. Entonces se calcula su resistencia:
2.  Cálculo del refuerzo transversal

Se tomará la separación entre estribos el menor de las siguientes tres ecuaciones:

Características, Acción y Respuesta de los Elementos de Concreto.

El objeto del diseño de estructuras consiste en determinar las dimensiones y características de los elementos de una estructura para que ésta cumpla cierta función con un grado de seguridad razonable, comportándose además satisfactoriamente una vez en condiciones de servicio. Debido a estos requisitos es preciso conocer las relaciones que existen entre las características de los elementos de una estructura (dimensiones, refuerzos, etc.), las solicitaciones que debe soportar y los efectos que dichas solicitaciones producen en la estructura. En otras palabras, es necesario conocer las características acción-respuesta de la estructura estudiada.

Las acciones en una estructura son las solicitaciones a que puede estar sometida. Entre éstas se  encuentran, por ejemplo, el peso propio, las cargas vivas, las presiones por viento, las aceleraciones por sismo y los asentamientos. La respuesta de una estructura, o de un elemento, es su comportamiento bajo una acción determinada, y puede expresarse como deformación, agrietamiento, durabilidad, vibración. Desde luego, la respuesta está en función de las características de la estructura, o del elemento estructural considerado.

Si se conocen las relaciones para todas las combinaciones posibles de acciones y características  de una estructura, se contará con una base racional para establecer un método de diseño. Este tendrá por objeto determinar las características que deberá tener una estructura para que, al estar sometida a ciertas acciones, su comportamiento o respuesta sea aceptable desde los puntos de vista de seguridad frente a la falla y de utilidad en condiciones de servicio.

En los procedimientos de diseño, el dimensionamiento se lleva a cabo normalmente a partir de las aciones interiores, calculadas por medio de un análisis de la estructura. Debe notarse que, para diseñar satisfactoriamente no siempre es necesario obtener las acciones interiores inducidas por las exteriores.

Las principales acciones interiores que actúan en las  estructuras las podemos enumerar en: a)  compresión, b) tensión, c) torsión y, d) cortante. La compresión en elementos estructurales casi nunca se presenta sola, sino con tensión, combinación a la que se le denomina flexión; y para térmi- nos de análisis a la compresión sola se le denomina carga axial: asimismo, en los diversos elementos estructurales se pueden presentar muchas combinaciones.


En el siguiente cuadro se enumeran los elementos estructurales más importantes y las acciones principales que se presentan en ellos:


La primera condición que debe satisfacer un diseño es que la estructura resultante sea  lo suficientemente resistente. En términos de las características acción-respuesta, se puede definir la resistencia de una estructura o elemento a una acción determinada como el valor máximo que dicha acción puede alcanzar. Una vez determinada la resistencia a cierta acción, se compara este valor máximo con el valor correspondiente bajo las condiciones de servicio. De esta comparación se origina el concepto de factor de seguridad o factor de carga. De un modo rudimentario, éste puede definirse como el cociente entre la resistencia y el valor estimado de la acción correspondiente en condiciones de servicio.

Para tener una idea más clara sobre la relación acción-respuesta de los elementos estructurales,  en la siguiente ilustración se presenta la gráfica de esfuerzo deformación de una viga en voladizo. Se pueden distinguir cuatro etapas en el comportamiento del voladizo:

a) Una etapa inicial elástica, en la que las cargas son proporcionales a las deformaciones. Es fre- cuente que bajo las condiciones permanentes de servicio (excluyendo las cargas de corta duración  como el viento o sismo), la estructura se encuentre en esta etapa. La carga de servicio se ha marcado  en la figura como Ps y la deformación correspondiente como as.
b) Una tapa intermedia en la que la relación carga-deformación ya no es lineal, pero en que la  carga va creciendo.


c) Una etapa plástica, en la que se producen deformaciones relativamente grandes para incrementos pequeños o nulos de las cargas. La resistencia Pr, se encuentra en esta etapa. Debido a la  forma de la curva, es difícil establecer cuál es la deformación correspondiente a la resistencia.

De la ilustración se puede definir el factor de seguridad como el cociente Pr/Ps. La estructura  tendrá una resistencia adecuada, si este factor es mayor que un valor predeterminado considerado  como aceptable.

ACERO DE REFUERZO EN LA CONSTRUCCION

El acero para reforzar concreto se utiliza en distintas formas; la más común es la barra o varilla que se fabrica tanto de acero laminado en caliente, como de acero trabajado en frío. Los diámetros usuales de barras producidas en México varían de ¼ pulg. a 1 ½ pulg. (algunos productores han fabricado barras corrugadas de 5/16 pulg, 5/33 pulg y 3/16 pulg.) En otros países se usan diámetros aún mayores. Todas las barras, con excepción del alambrón de ¼ de pulg, que generalmente es liso, tienen corrugaciones en la superficie para mejorar su adherencia al concreto. Generalmente el tipo de acero se caracteriza por el límite de esfuerzo de fluencia. En México se cuenta con una variedad  relativamente grande de aceros de refuerzo. Las barras laminadas en caliente pueden obtenerse con límites de fluencia desde 2300 hasta 4200 kg/cm2. El acero trabajado en frío alcanza límites de fluencia de 4000 a 6000 kg/cm2. Una propiedad importante que debe tenerse en cuenta en refuerzos con detalles soldados es la soldabilidad. La soldadura de aceros trabajados en frío debe hacerse con cuidado. Otra propiedad importante es la facilidad de doblado, que es una medida indirecta de ductilidad y un índice de su trabajabilidad.

Se ha empezado a generalizar el uso de mallas como refuerzo de losas, muros y algunos elementos prefabricados. Estas mallas están formadas por alambres lisos unidos por puntos de soldadura en  las intersecciones. El acero es del tipo trabajado en frío, con refuerzos de fluencia del orden de 5000  kg/cm2. El espaciamiento de los alambres varía de 5 a 40 cm y los diámetros de 2 a 7 mm, aproxi- madamente. En algunos países, en lugar de alambres lisos, se usan alambres con algún tipo de irregularidad superficial, para mejorar la adherencia. El acero que se emplea en estructuras presforzadas es de resistencia francamente superior a la de los aceros descritos anteriormente. Su resistencia última varía entre 14000 y 22000 kg/cm2  y su límite de fluencia, definido por el esfuerzo correspondiente a una deformación permanente de 0.002, entre 12000 y 19000 kg/cm2.

CIMENTACIONES PROFUNDAS DE UN EDIFICIO

Las cimentaciones profundas se prolongan más allá de los suelos inadecuados o inestables para transferir las  cargas del edificio a un estrato resistente de roca o de gravas y arenas densas muy por debajo de la superestructura. Los dos tipos principales de cimentaciones profundas son las cimentaciones con pilotes y las cimentaciones con pilotes de tubo llenos de concreto.

Una cimentación con pilotes es un sistema de pilotes de punta, de cabezales de pilotes y de vigas tensoras para transferir las cargas del edificio hasta un estrato de carga.

• Muro de carga. 1.
• Rasante de concreto reforzado o viga tensora con cabezales integrados para pilote. 2.
• Los pilotes generalmente se hincan en grupos de dos o más, espaciados de 760 a 1220 mm (2'-6" a 4'-0") entre centros. 3.
• Un cabezal para pilote de concreto reforzado une fas cabeceras de un grupo de pilotes con objeto de distribuir la carga de una columna o de una viga de rasante igualmente entre los pilotes. 4.
• Varía con la carga de la columna: 305 mm (12") como mínimo. 5.
• 75 mm (3") 6.
• 150 mm (6") 7.
• Colocar debajo del nivel de penetración de la helada. 8.
• Los pilotes pueden ser postes de madera tratada, pero para edificios grandes son más comunes los perfiles H de acero, los tubos llenos de concreto, o el concreto reforzado precolado o el concreto presforzado. 9.
• Los pilotes se hincan en el terreno con una mácjuina piloteadora. Esta máciuina está compuesta de un bastidor alto que, sustenta el mecanismo para elevar al pilote en su posición, un martillo de hincado y rieles o guías verticales para dirigir el martillo.
• Los pilotes de punta dependen principalmente de la resistencia a la carga del suelo o de la roca debajo de la punta de sustentación. La masa circundante de suelo suministra un grado de estabilidad lateral para el pilote. 10.
• Para su sustentación, los pilotes de fricción dependen principalmente de la resistencia a la fricción de una masa circundante de suelo. La fricción externa desarrollada entre los lados de un pilote hincado y el suelo está limitada por la adhesión del suelo a los lados del pilote y por la resistencia a la fuerza cortante de la masa de suelo circundante. 11.
• La carga permisible del pilote es la carga máxima axial y la carga máxima lateral, c|ue se determina por una fórmula dinámica para pilotes, un ensayo estático de carga, o una investigación geotécnica del suelo de la cimentación.
• La excentricidad del pilote o la desviación del pilote de su ubicación en planta o de la vertical pueden reducir su carga permisible.
• Estrato resistente de suelo o de roca. 12.

ZAPATAS AILADAS PARA COLUMNAS

COLUMNA DE CONCRETO REFORZADO

1. Refuerzo vertical
2. Refuerzo lateral.
3. Véase también 5.04 para los detalles de las columnas de concreto.
4. Las dovelas de acero anclan la columna a la zapata.
5. El refuerzo en dos sentidos debe espaciarse uniformemente.
6. Mínimo 150mm (6") arriba del refuerzo de acero
7. d = peralte efectivo.
8. Recubrimiento mínimo de 75mm (3") para el refuerzo de acero cuando el concreto se
cuela permanentemente expuesto en el terreno.
9. Sección crítica de la fuerza cortante en un sentido.
10. Sección crítica de la fuerza cortante en dos sentidos.

Columna de concreto reforzado

POSTE DE MADERA

Se dispone de diversas bases patentadas para postes. Consultar al fabricante para
cargas permisibles y detalles de instalación. Las bases para postes también pueden fabricarse para cumplir
con condiciones específicas de diseño.

Poste de madera


COLUMNA DE ACERO

Es necesario una placa de base de acero para distribuir la carga de la columna sobre un área suficientemente ancha para no sobrepasar los esfuerzos pemisibles del concreto.


Concreto de acero

SISTEMAS DE APOYO DE EXCAVACIONES

Cuando el sitio del edificio es suficientemente grande como para que los lados de una excavación puedan abancarse como bermas o se les pueda dar un talud con un ángulo menor que el ángulo de reposo del suelo, no se requiere de una estructura de apoyo. Sin embargo, cuando los lados de una excavación profunda sobrepasan al ángulo de reposo del suelo, el terreno debe apuntalarse o entibarse temporalmente hasta que la construcción permanente esté en su lugar

Una tablaestaca consiste en planchas de madera, acero o concreto precolado hincadas en sentido vertical lado a lado para contener al terreno y evitar que el agua se filtre hacia la excavación. Las tablaestacas de acero y concreto precolado pueden dejarse en su lugar como parte de la subestructura de un edificio. 1.

Las vigas o los montantes de sujeción son perfiles H de acero hincados en el suelo en sentido vertical para sustentar al entablado horizontal. 2.

El entablado se refiere a los tablo¬ nes de madera alineados colateralmente para retener el frente de una excavación. 3.

SISTEMAS DE APOYO DE EXCAVACIONES

Se pueden usar brandales anclados en la roca o anclas en el suelo si el arriostramiento transversal o los puntales inclinados interfieren con la excavación o con la operación de construcción. Los brandales consisten en cables o tendones de acero que se insertan en orificios previamente barrenados a través de la tablaestaca y hasta la roca o hasta un estrato adecuado de suelo, lechadeado a presión para anclarlos en la roca o el suelo y postensionarlos con un gato hidráulico. Los brandales se anclan entonces en largueros de acero continuos y horizontales para mantener la tensión. 4.

La tablaestaca y las vigas de sujeción con el entablado se sustentan mediante largueros horizontales continuos. Estos largueros están apuntalados con arriostramiento transversal horizontal de acero o con puntales inclinados diagonales de acero; se apoyan en blocjues de talón o en zapatas. 5.

SISTEMAS DE APOYO DE EXCAVACIONES

Un muro de lechada es un muro de concreto colado en una trinchera para servir como tablaestaca y también como muro de cimentación permanente. Se construye excavando una trinchera en longitudes cortas. Esta trinchera se rellena con una lechada de bentonita y agua para evitar cjue las paredes laterales se colapsen; se coloca un refuerzo y se vacía concreto en la trinchera con un tubo-embudo para desplazar la lechada. 6.

El desaguado se refiere al proceso de abatir el nivel freático o de evitar que una excavación se llene con agua subterránea. se logra hincando tubos perforados llamados puntas coladoras, para recolectar el agua del área de modo que pueda desalojarse por bombeo. 7.

SISTEMAS DE APOYO DE EXCAVACIONES

JUNTAS Y CONEXIONES - ESTRUCTURAS

La manera en la cual las fuerzas se transfieren de un elemento estructural al siguiente y la forma en que un sistema estructural se comporta como un todo dependen en gran medida del tipo de juntas y de conexiones que se usen. Los elementos estructurales se pueden unir de tres mareras. Las juntas a tope permiten que uno de los elementos sea continuo y generalmente requieren un tercer elemento mediador para hacer la conexión. Las juntas traslapadas permiten que todos los elementos conectados se empalmen entre ellas y sean continuos a través de la junta. Los elementos de unión también pueden moldearse o conformarse para formar una conexión estructural.

Los conectores c[ue se usan para unir los elementos estructurales pueden tener la forma de un punto, una línea o una superficie. Aun cuando los tipos de conectores lineal y de superficie resisten la rotación, los conectores puntuales no lo hacen a no ser que una serie de ellos se distribuya a través de un área superficial grande.

Las uniones con pasadores teóricamente permiten la rotación, pero resisten la traslación en cualquier dirección. 1.
Las juntas rígidas o fijas conservan la relación angular entre los elementos unidos, restringen la rotación y la traslación en cualquier dirección y suministran resistencia tanto a la fuerza como al momento. 2. Las uniones con rodillos permiten la rotación, pero resisten la traslación en una dirección perpendicular hacia sus caras o alejándose de ellas. No se emplean en la construcción de edificios con tanta frecuencia como las conexiones con pasadores o fijas, pero son útiles cuando una junta debe permitir que ocurra la expansión y la contracción de un elemento estructural. 3.

Un ancla de cable permite la rotación, pero resiste la traslación solamente en la dirección del cable. 4.



ESTRUCTURAS - MEMBRANAS

Las membranas son superficies flexibles y delgadas que sustentan cargas principalmente a través del desarrollo de esfuerzos de tensión. Pueden ser suspendidas o extendidas entre postes, o ser sustentadas por la presión del aire.

Las estructuras en forma de toldo son estructuras de membrana cjue son presforzadas por fuerzas externamente aplicadas y c[ue se mantienen tensionadas por completo en todas las condiciones anticipadas de carga. Para evitar fuerzas de tensión demasiado altas, las estructuras de membrana deben tener curvaturas relativamente pronunciadas en direcciones opuestas.

Las estructuras neumáticas son estructuras de membrana que son puestas a tensión y estabilizadas contra cargas de viento y de nieve mediante la presión de aire comprimida. La membrana generalmente es una tela de material textil tejido o de fibra de vidrio recubierta con un material sintético, como el silicón. Las membranas translúcidas suministran iluminación natural, recogen la radiación solar en el invierno y enfrían el espacio interior por la noche. Las membranas reflectoras reducen la ganancia del calor del sol. Un forro de tela puede capturar un espacio de aire para mejorar la resistencia térmica de la estructura.

Existen dos clases de estructuras neumáticas: las estructuras sustentadas con aire y las estructuras infladas con aire.

• Las estructuras sustentadas con aire consisten en una membrana sencilla sustentada por una presión interna de aire ligeramente mayor que la presión atmosférica normal. La membrana está bien anclada y sellada a lo largo del perímetro para evitar las fugas. Se requieren esclusas de aire en las entradas para conservar la
presión interna del aire.

• Las estructuras infladas con aire son sustentadas con aire pnssurizado dentro de elementos de construcción inflados. Estos elementos están conformados para sustentar cargas de una manera tradicional, mientras c?ue el volumen confinado de aire para la edificación permanece a la presión atmosférica normal. La tendencia de una estructura de doble membrana a abultarse a la mitad se restringe mediante un anillo de compresión o mediante amarres o diafragmas internos.


La membrana y los cables de acerotransmiten las cargas externas a los mástiles y a las anclas en el suelo mediante fuerzas de tensión. 1.Los cables de refuerzo en las orillas rigidizan los bordes libres de una estructura de toldo. 2.


La membrana puede estar amarrada a los apoyos del mástil mediante un lazo de cable de refuerzo o estirarse sobre un cabezal de distribución. 3.Los mástiles están diseñados para resistir el pandeo bajo cargas de compresión. 4.


Algunas estructuras sustentadas con ains usan una red de cables que trabajan a tensión por la fuerza del inflado para evitar c[ue la membrana desarrolle su perfil inflado natural.

ESTRUCTURAS CON CABLES - CONSTRUCCIÓN

Las estructuras con cables utilizan el cable como el principal medio de apoyo. Debido a que los cables tienen una alta resistencia a la tensión, pero no ofrecen resistencia a la compresión o a la flexión, deben usarse solamente a tensión. Cuando se sujeta a cargas concentradas, la forma de un cable consiste en segmentos de línea recta. Bajo una carga uniformemente distribuida, adoptará la forma de un arco invertido.

• Una forma funicular es la que adopta un cable que se deforma libremente como respuesta directa a la magnitud y a la ubicación de fuerzas externas. Un cable siempre adapta su forma de modo que se encuentre en tensión pura bajo la acción de una carga aplicada. 1.

• Una catenaria es la curva adoptada por un cable uniforme perfectamente flexible suspendido libremente de dos puntos que no se encuentran en la misma línea vertical. Para una carga que está uniformemente distribuida en una proyección horizontal, la curva se aproxima a una parábola. 2.


ESTRUCTURAS CON CABLES - CONSTRUCCIÓN

Las estructuras suspendidas utilizan una red de cables suspendidos y presforzados entre miembros a compresión para sustentar directamente las cargas aplicadas.


• Las estructuras de curvatura simple utilizan una serie paralela de cables para sustentar vigas o placas que forman una superficie. Son susceptibles de vibrar inducidos por los efectos aerodinámicos del viento. Este riesgo puede reducirse aumentando la carga muerta en la estructura o anclando los cables primarios al suelo con contravientos transversales. 3.

• Las estructuras con cables dobles tienen conjuntos superiores e inferiores de cables de diferentes curvaturas, pretensionados por amarres o por puntales a compresión para hacer al sistema más rígido y resistente a la vibración. 4.

• Los contravientoe absorber la componente horizontal del empuje en una estructura suspendida o atirantada con cables y transfieren la fuerza a un cimiento. 5.

• El mástil es un miembro a compresión vertical o inclinado en una estructura suspendida o atirantada con cables, cjue sustenta la suma de las componentes de las fuerzas verticales en los cables primarios y en los contravientos. La inclinación del mástil permite recibir parte del empuje horizontal del cable y reduce la fuerza en los contravientos. 6.


ESTRUCTURAS CON CABLES - CONSTRUCCIÓN

• Las estructuras de doble curvatura consisten en un campo de cables cruzados de curvaturas diferentes y con frecuencia invertidas. Cada conjunto de cables tiene un periodo natural de vibración diferente, formando así un sistema autoamortiguado que es más resistente a la vibración.


ESTRUCTURAS CON CABLES - CONSTRUCCIÓN

• Las estructuras atirantadas con cables tienen mástiles verticales o inclinados desde los cuales se extienden los cables para sustentar miembros que cubren claros horizontales dispuestos según un patrón paralelo o radial.


ESTRUCTURAS - CASCARONOES

Los cascarones son estructuras de placa curva y delgada construidas de concreto reforzado. Están conformados para transmitir fuerzas aplicadas mediante esfuerzos de membrana — los esfuerzos de compresión, de tensión y cortantes que actúan en el plano de sus superficies. Un cascarón puede sustentar fuerzas relativamente grandes si se aplican uniformemente. Sin embargo, debido a su delgadez, un cascarón tiene poca resistencia a la flexión y no es adecuado para cargas concentradas.

• Las superficies de traslación se generan al recorrer una curva plana a lo largo de una línea recta o sobre otra curva plana. 1.

• Las superficies nsgladas se generan mediante el movimiento de una línea recta. Debido a su geometría de línea recta, una superficie nsglada generalmente es más fácil de formar y construir que una superficie de rotación o de traslación. 2.




• Las superficis de rotación se generan al girar una curva plana alrededor de un eje. Las superficies de domo esférico, elíptico y parabólico son ejemplos de superficie de rotación.

• Los cascarones de barril son estructuras de cascarón cilindrico Si la longitud de un cascarón de barril es tres o más veces su claro transversal, se comporta como una viga de gran peralte con una sección curva que cubre el claro en la dirección longitudinal. Si es relativamente corta, presenta un comportamiento del tipo de arco. Se requieren tirantes o marcos rígidos transversales para contrarrestar el empuje hacia fuera de la acción del arco. 3.
• Un paraboloide hiperbólico es una superficie generada al recorrer una parábola con la curvatura hacia abajo a lo largo de otra parábola con la curvatura hacia arriba, o al recorrer un segmento de línea recta con sus extremos sobre dos líneas sesgadas. Se le puede considerartanto una superficie de traslación como reglada. 4.
• Las superficies de silla de montar tienen curvatura hacia arriba en una dirección y curvatura hacia abajo en la dirección perpendicular. En una estructura de cascarón con superficie de silla de montar, las regiones con curvatura hacia abajo exhiben un comportamiento del tipo de anco, mientras que las regiones con curvatura hacia arriba se comportan como estructuras de cable. Si los bordes de la superficie no están apoyados, también puede estar presente un comportamiento de viga.

• Un hiperboloide de una hoja es una superficie reglada generada al recorrer un segmento inclinado de recta sobre dos círculos horizontales. Sus secciones verticales son hipérbolas. 5.

ESTRUCTURAS EN FORMA DE DOMOS

Un domo es una estructura con forma de superficie esférica que tiene una planta circular y que está construida de bloques apilados, de un material rígido continuo como el concreto reforzado, o de elementos lineales cortos, como en el caso de un domo geodésico. Un domo es similar a un arco que gira excepto que se desarrollan fuerzas cincunferenciales que son de compresión cerca de la corona y de tensión en la parte inferior

• Las fuerzas meridionales que actúan a lo largo de una sección vertical cortada en la su¬ perficie del domo siempre son de compresión bajo una carga vertical completa. 1.
• Las fuerzas tangenciales, que restringen el movimiento hacia fuera del plano de las franjas meridionales en el cascarón de un domo, son de compresión en la zona superior y de tensión en la zona inferior. 2.
• La transición de fuerzas tangenciales de compresión a fuerzas tangenciales de tensión ocurre a un ángulo de 46° a 60° con respecto al eje vertical. 3.

• Un anillo de tensión circunda la base de un domo para contenerá las componentes hacia fuera de las fuerzas meridionales. En un domo de concreto, este anillo se engrosa y se re¬ fuerza para manejar los esfuerzos por flexión causados por las deformaciones elásticas diferentes dsl anillo y del cascarón. 4.


• Los domos Schwedler son estructuras á& domo de acero que tienen miembros que siguen las líneas de latitud y longitud y un tercer conjunto de diagonales que completan la triangulación.



• Los domos de enrejado son estructuras de domo de acero que tienen miembros que siguen los círculos de la latitud y dos conjuntos de diagonales que forman una serie de triángulos isósceles.



• Los domos geodésicos son estructuras de domo de acero que tienen miembros que siguen tres conjuntos principales de círculos máximos quese intersecan a 60°, subdividiendo la superficie del domo en una serie de triángulos esféricos equiláteros.

ARCOS Y BÓVEDAS EN LA CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS

Las columnas, las vigas, las losas y los muros de carga son los elementos estructurales más comunes debido a la geometría rectilínea que son capaces de generar. Sin embargo, hay otros medios de cubrir claros y de cercar espacios. Generalmente, éstos son elementos con forma activa que, a través de su forma y su geometría, hacen un uso eficiente del material para las distancias cubiertas en los claros. Aun cuando están fuera del alcance de este libro, se describen brevemente en la siguiente sección.

Los arcos son estructuras curvas para cubrir el claro de un vano, disetíadas para sustentar una carga vertical principalmente por compresión axial, Transforman las fuerzas verticales de una carga sustentada en componentes inclinadas y las transmiten a los estribos en cada uno de los lados del vano arqueado.

• Los arcos de mampostería se construyen con piedras en forma de cutía o dovelas de ladrillo.

• Los arcos rígidos consisten en estructuras curvas y rígidas de madera, acero o concreto reforzado capaces de sustentar algunos esfuerzos flexionantes. 1.



•Para que se elimine la flexión en un arco, la línea de presiones debe coincidir con el eje del arco.

•El empuje de una estructura en arco sobre sus estribos es proporcional a la carga y claro totales, e inversamente proporcional a la altura.

Las bóvedas son estructuras en arco de piedra, ladrillo o concreto reforzado, que forman un cielo raso o techo sobre un salón, un cuarto u otro espacio total o parcialmente cercado. Debido a que una bóveda se comporta como un arco extendido en tercera dimensión, los muros de apoyo longitudinales deben tener estribos para contrarrestar los empujes hacia fuera de la acción del arco.

• Las bóvedas cilindricas tienen sección transversal semicircular. 2.
• Las bóvedas de aristas o de crucería son bóvedas compuestas formadas por la intersección perpendicular de dos bóvedas, que forman cantos vivos diagonales en arco denominados aristas de encuentro. 3.

ESTRUCTURAS DE GRAN ALTURA - CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS

Los edificios altos son especialmente susceptibles a los efectos de las fuerzas laterales. Un manso rígido es la forma menos eficiente de alcanzar la estabilidad lateral y es apropiado solamente para estructuras de baja a mediana altura. A medida que aumenta la altura de un edificio, se hace necesario complementar un marco rígido con mecanismos adicionales de arriostramiento, como apuntalamiento diagonal o un núcleo rígido. Un tipo eficiente de estructura de gran altura es una estructura tubular que tiene sistemas perimetrales resistentes a las fuerzas laterales, apuntalados internamente con diafragmas rígidos de piso. La estructura se comporta esencialmente como una viga de caja en cantilever cuando resiste las fuerzas laterales

• Un cubo reticulado tiene columnas perimetrales con poco espaciamiento conectadas rígidamente mediante vigas de fachada de gran peralte. 1.
• Un cubo perforado tiene muros de cortante perimetrales con menos de 307» del ánsa superficial perforada con vanos. 2.
• Un cubo arriostrado es una estructura reticulada unida mediante un sistema de puntales diagonales. 3.
• Un cubo con armaduras tiene marcos muro con armadura con columnas muy espaciadas unidas mediante puntales diagonales o cruzados. 4.
• Un cubo con armaduras en celosía tiene marcos perimetrales con diagonales muy poco espaciadas sin columnas verticales. 5.
• El manojo de cubos es un ensamblado de cubos estrechos unidos directamente entre ellos para formar una estructura modular que se comporta como una trabe decaja multicelular que se proyecta fuera del suelo comoun cantilever. En algunos casos se suministran más cubos en la parte inferior de una estructura alta, donde serequiere mayor resistencia a la fuerza lateral. 6.
• Una estructura de cubo dentro de un cubo tiene un núcleo interior apuntalado añadido al cubo perimetral para mejorar su resistencia al cortante cuando resiste las fuerzas laterales. 7.
Los mecanismos de amortiguamiento son aparatos visco-elásticos que comúnmente se instalan en los nodos estructurales para absorber la energía generada por el viento opor las fuerzas sísmicas, que disminuyen progresivamente o eliminan los movimientos vibratorios u oscilatorios y que evitan la ocurrencia de las resonancias destructivas.

• Un amortiguadorde masa sintonizado es una gran masa montada en rodillosy unida a la parte superior de un edificio alto con mecanismos de amortiguamiento de resorte, que tienen una tendencia inercial a permanecer en reposo y de esta manera contrarrestary disipar cualquier movimiento del edificio. 8.

• El aislamiento de la base se refiere a aislar la base del suelo con mecanismos de amortiguamiento para permitir que la superestructura flote como un cuerpo rígido y altere el periodo natural de vibración de la estructura de modo que sea diferente del periodo de vibración del suelo, evitando así la ocurrencia de resonancias destructoras. 9.

El amortiguamiento interno ocurre naturalmente cuando un edificio experimenta una deformación elástica o plástica, como la proveniente de la fricción interna de un material sujeto a esfuerzos (amortiguamiento por histéresis), la proveniente de la fricción entre dos partes movibles (amortiguamiento por fricción), o la proveniente de la resistencia viscosa de un fluido, como el aire (amortiguamiento viscoso). 10.

ESTABILIDAD LATERAL - ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE UN EDIFICIO

Diafragma horizontal
• Una estructura de piso rígida, comportándose como una viga plana de gran peralte, transfiere las cargas laterales a los muros de cortante verticales, a los marcos arriostrados o a los marcos rígidos. 1.
Los elementos estructurales de un edificio deben dimersionarse, configurarse y unirse para formar una estructura estable bajo cualquier condición posible de carga. Por lo tanto, un sistema estructural debe diseñarse no solamente para sustentar cargas verticales gravitacionales, sino también resistir fuerzas laterales eólicas y sísmicas desde cualquier dirección. Los siguientes son los mecanismos básicos para asegurar la estabilidad lateral.


Marco rígido
Un marco de acero o de concreto reforzado con uniones rígidas capaz de resistir cambios en las relaciones angulares 2.

Muro de cortante

• Un muro de madera, concreto o mampostería capaz de resistir cambios de forma y de transferir cargas laterales a la cimentación 3.
Marco arriostrado
• Un marco de madera o de acero arriostrado con miembros diagonales 4.


• Cuando se use arriostramiento con cable, son necesarios dos para estabilizar la estructura contra fuerzas laterales de cualcluiera de ambas direcciones. Para cada dirección, un cable operará en forma efectiva a tensión mientras que el otro simplemente se pandearía. Si se usa arriostramiento rígido, se incluye un cierto grado de redundancia porque un solo miembro es capaz de estabilizar la estructura. 5.


Cualquiera de estos sistemas puede usarse individualmente o en combinación para estabilizar una estructura. De los tres sistemas verticales, el marco rígido tiende a ser el menos eficiente. Sin embargo, los marcos rígidos pueden ser útiles cuando el empleo de marcos arriostrados o muros de cortante formaría barreras indeseables entre espacios adyacentes.

• Las fuerzas laterales tienden a ser más críticas en la dirección corta de los edificios rectangulares y es típico el uso de los muros de cortante o marcos arriostados más eficientes en esta dirección. En la dirección larga, puede utilizarse cualcluiera de los elementos laterales que resisten fuerzas. 6.
• Los caballetes son marcos arriostrados o rígidos diseñados para sustentar cargas verticales y laterales transversales a la longitud de una estructura reticular. 7.


Para evitar los efectos destructivos de torsión, las estructuras sujetas a fuerzas laterales deben arreglarse y arriostrarse simétricamente cor los centros de masa y de resistencia tan coincidentes como sea posible. La disposición asimétrica de las estructuras irregulares generalmente recjuiere de un análisis dinámico con objeto de determinar los efectos de torsión de las fuerzas laterales.



Las estructuras irregulares se caracterizar por cualcjuiera de diferentes irregularidades er planta o en sentido vertical, como la disposición asimétrica de la masa o de los elementos cjue resisten a las fuerzas laterales, ur piso blando o débil, o un muro de cortante o un diafragma discontinuos.

• La irregularidad torsional se refiere a la disposición asimétrica de la masa o de los elementos que resisten a las fuerzas laterales, resultando en centros de masa o de resistencia que no coinciden. 8.

• El centro de resistencia es el centroide de los elementos verticales de un sistema que resite fuerzas laterales, a través del cual actúa la reacción de cortante a las fuerzas laterales. 9.



• Una esquina reentrante es una configuración en planta de una estructura que tiene proyecciones más allá de una esquina que son significativamente mayores cjue la dimensión en planta en la dirección dada. Una escjuina reentrante tiende a producir movimientos diferenciales entre las diferentes partes de la estructura, resultando en concentraciones locales de esfuerzos en la esquina. Las soluciones incluyen el suministro de una junta sísmica para separar el edificio en formas más simples, uniendo al edificio más fuertemente en la esquina, o biselando la esquina. 10.

• Las juntas sísmicas separan físicamente las masas adyacentes del edificio de modo que pueda ocurrir un movimiento vibratorio libre en cada uno, independiente del otro. 11.


• Un diafragma discontinuo es un diafragma horizontal que tiene un área grande cortada o abierta, o una rigidez significativamente menor que la del piso superior o inferior. 12.



• Un piso blando o débil tiene una rigidez o una resistencia lateral que es significativamente menor que la de los pisos superiores. 13.

• Un muro de cortante discontinuo tiene un rebajo grande o un cambio significativo en su dimensió horizontal. 14.


PATRONES ESTRUCTURALES - CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS

La disposiciór de los prircipales apoyos verticales no solamente regula la selección de un sistema para cubrir claros, también establece las posibilidades para el ordenamiento de los espacios y de las funciones en un edificio.

Los principales puntos y líneas de apoyo de un sistema estructural definen típicamente una retícula. Los puntos críticos de la retícula son ao[uello6 en los cuales las columnas y los muros de carga colectan cargas de las vigas y de otros elementos horizontales o[ue cubren claros y canalizan estas cargas en sentido vertical hasta la cimentación.

El orden geométrico inherente de una retícula puede usarse en el proceso de diserío para iniciar y reforzar la organización funcional y espacial del disePio de un edificio.

• Los muros sin carga pueden colocarse de modo que definan varias configuraciones espaciales y permitan que un edificio sea más flexible en su respuesta a los requerimientos programáticos de sus espacios. 1.
• Una retícula estructural puede modificarse mediante la adición o la sustracción para acomodar necesidades especiales, como espacios grandes o condiciones poco comunes del sitio. 2.
• Una retícula puede ser irregular en una o dos direcciones para acomodar los requerimientos dimensionales de los espacios del programa. 3.
• Una parte de la retícula puede dislocarse y girarse alrededor de un punto en el patrón básico. 4.
• Dos retículas paralelas pueden desplazarse una de otra para desarrollar espacios intercurrentes o intersticiales que definan patrones de movimiento, que medien entre una serie de espacios más grandes, o que alojen servicios mecánicos. 5.
• Cuando dos patrones estructurales no se puedan alinear convenientemente, puede usarse un tercer elemento, como un muro de carga, un espacio mediador o un sistema, para cubrir claros de textura más fina. 6.

• Pueden emplearse retículas no uniformes o irregulares para reflejar el ordenamiento jerárquico o funcional de los espacios dentro de un edificio. 7.
• Las líneas de la retícula representan vigas horizontales y muros de carga. 8.

• Las intersecciones de las líneas de la retícula representan las ubicaciones de columnas o de cargas gravitacionales concentradas. 9.

• Una unidad estructural básica o crujía puede prolongarse lógicamente en sentido vertical a lo largo de los ejes de las columnas y en sentido horizontal a lo largo de los claros de las vigas y de los muros de carga. 10.

CLAROS ESTRUCTURALES - CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS

La capacidad para cubrir claros de los elementos horizontales determina el espaciamiento de los apoyos verticales.

Esta relación fundamental entre el claro y el espaciamiento de los elementos estructurales influye en las dimensiones y la escala de los espacios definidos por el sistema estructural de un edificio. Las dimensiones y las proporciones de las crujías estructurales, a su ya., deben relacionarse con los recjuerimientos programáticos de los espacios.

Rangos representativos de claros estructurales

UNIDADES ESTRUCTURALES - CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS

Cor los elementos estructurales principales de columna, viga, losa y muro de carga es posible formar una unidad estructural elemental capaz de definir y cercar un volumen de espacio para habitación. Esta unidad estructural es el blooque básico de construcción para el sistema estructural y la organización espacial de un edificio.

• Los claros horizontales pueden ser cubiertos por losas de concreto reforzado o por un arreglo jeráro[uico en capas de trabes, vigas y viguetas que sustentan tablones o cubiertas.

• El apoyo vertical de una unidad estructural puede suministrarse mediante muros de carga o por una armazón de columnas y vigas.

Las dimensiones y las proporciones de una unidad estructural o de una crujía influyen en la selección de un sistema apropiado para cubrir los claros.

• Los sistemas de un solo sentido de viguetas, tablones, o losas son más eficientes cuando las crujías estructurales son rectangulares —es decir, cuando la relación de la dimensión larga a la corta es mayor que 1.5:1— o cuando la retícula estructural genera un patrón lineal de espacios. 1.

• Los sistemas de dos sentidos de vigas y losas son más efectivos para crujías cuadradas o casi cuadradas. 2.

• Una losa de dos sentidos apoyada en cuatro columnas define una capa horizontal de espacio. 3.

• La naturaleza paralela de los muros de carga conducenaturalmente al uso de sistemas de un solo sentido para cubrir los claros.

• Debido a que los muros de carga son muy efectivos cuando soportan una carga uniformemente distribuida, es típico que soporten una serie de viguetas, tablones o una losa de un solo sentido. 4.

• Una armazón lineal de columnas y vigas define un módulo tridimensional de espacio capaz de expandirse tanto horizontal como verticalmente. 5.
• Dos muros de carga definen en forma natural un espacio axial bidireccional. Pueden desarrollarse ejes secundarios perpendiculares a los ejes primarios con vanos dentro de los muros de carga. 6.


PLACAS - CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIONS

Las placas son estructuras rígidas, piaras, generalmente monolíticas, que dispersan las cargas aplicadas según un patrón multidireccional, con las cargas siguiendo generalmente las rutas más cortas y más rígidas hasta los apoyos. Un ejemplo común de una placa es una losa de concreto reforzado.

Una placa puede visualizarse como una serie de vigas adyacentes 1. con forma de franjas interconectadas continuamente a lo largo de sus longitudes. A medida que una carga aplicada se transmite a los apoyos mediante la flexión de una viga en forma de franja, la carga se distribuye en la placa 2. completa mediante fuerza cortante vertical que se transmite desde la franja deflexionada a las franjas adyacentes. La flexión de una viga en forma de franja también causa la torsión de las franjas transversales, cuya resistencia a la torsión aumenta la rigidez total de la placa. Por lo tanto, mientras que la flexión y la 3. fuerza cortante transfieren una carga aplicada en la dirección de la viga en forma de franja con carga, la fuerza cortante y la torsión transfieren la carga en ángulo recto con la franja cargada.

Una placa debe ser cuadrada o casi cuadrada para asegurarse de que se comporte como una estructura de dos sentidos. Cuando una placa se hace más rectangular que cuadrada, disminuye la acción de dos sentidos y se desarrolla un sistema de un sentido que sigue la dirección más corta porque las franjas más cortas de la placa son más rígidas y sustentan una parte mayor de la carga 4.

Las estructuras de placas plegadas están compuestasde elementos plegados de gran peralte unidos rígidamente 5. a lo largo de sus bordes y que forman ángulos agudos para apuntalarse entre sí contra el pandeo lateral. Cada plano 6. se comporta como una viga en la dirección longitudinal 7. En la dirección corta, el claro se reduce por cada pliegue que actúa como un apoyo rígido. Las franjas transversales se comportan como una viga continua apoyada en los puntos de los pliegues. Los diafragmas verticales o los marcos rígidos rigidizan una placa plegada contra la deformación del perfil del pliegue. La rigidez resultante de la sección transversal permite que una placa plegada cubra distancias relativamente largas.

Un marco espacial está compuesto de elementos lineales rígidos cortos triangulados en tres dimensiones y sujetos solamente a tensión o compresión axiales. La unidad espacial más simple de un marco espacial es un tetraedro que tiene cuatro nodos y seis miembros estructurales.

Debido a que el comportamiento estructural de un marco espacial es análogo al de una placa, su crujía de apoyodebe ser cuadrada o casi cuadrada para asegurarse de que se comporta como una estructura de dos sentidos.

Aumentar el área de contacto de los apoyos aumenta el número de miembros a los cuales se transfiere la fuerza cortante y reduce las fuerzas en los miembros 8.

MARCOS Y MUROS - CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS

Una viga simplemerte apoyadla er dos columnas ro puede resistir fuerzas laterales a meros que esté apuntalada.

Si los nodos que conectan las columnas y la viga pueden resistir tanto fuerzas como momentos, entonces el ensamblado se convierte en un marco rígido. Las cargas aplicadas producen fuerzas axiales, de flexión y cortantes en todos los miembros del marco debido a que los nodos rígidos impiden que los extremos de los miembros giren libremente. Además, las cargas verticales hacen que un marco rígido desarrolle empujes horizontales en la base.

Un marco ngido es estáticamente indeterminado y es rígido solamente en su plano.

• Un marco fijo es un marco rígido conectado a sus apoyos mediante empotramientos. Un marco fijo es más resistente a la deflexión que un marco articulado, pero también es más sensible a los asentamientos de los apoyos y a la expansión y contracción térmicas. 1.
• Un marco articulado es un marco rígido conectado a sus apoyos con pasadores. Los pasadores evitan que se desarrollen esfuerzos de flexión elevados al permitir que el marco gire como una unidad cuando se deforma por los asentamientos de los apoyos y que se flexione lige¬ ramente cuando se le somete a esfuerzos por cambiosde temperatura. 2.
• El marco de tres articulaciones es un ensamblado estructural de dos secciones rígidas conectadas entre sí y con sus apoyos con pasadores. Aun cuando es más sensible a la deflexión que el marco fijo o el marco articulado, el marco de tres articulaciones se ve menos afectado por los asentamientos en los apoyos y los esfuerzos térmicos. Las tres articulaciones también permiten que el marco se analice como una estructura estáticamente determinada.  3.

Si se rellena el plano definido por dos columnas y una viga se convierte en un muro de carga que actúa como una columna larga y delgada que transmite fuerzas de compresión al piso. Los muros de carga son muy efectivos para cargas coplanares uniformemente distribuidas, pero son muy vulnerables a las fuerzas perpendiculares a sus planos. Para la estabilidad lateral, los muros de carga dependen de nervaduras con pilastras, muros cruzados, marcos rígidos transversales o losas horizontales. 4.
Cualquier vano en un muro de carga debilita su integridad estructural. Un dintel o un arco debe sustentar la carga arriba del vano de una puerta o de una ventana y permitir que los esfuerzos de compresión fluyan alrededor del vano a las secciones adyacentes del muro.