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.

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.

• 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.

• 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.