Elementos Estructurales Firme Parte 1

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Los elementos más sencillos que pueden identificarse en una estructura son aquellos que se modelan como líneas, o sea, que tienen una de sus dimensiones mucho mayor que las otras dos. 1.1 ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE HORMIGÓN EN MASA, FORJADOS, VIGAS Y SOPORTES 1.1.1 a) Temas que se tratan Elementos estructurales de hormigón en masa, Forjados, Vigas. VIGAS

 Es un elemento constructivo lineal que trabaja principalmente a flexión.  En las vigas la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser horizontal.  El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y compresión, produciéndose las máximas en el cordón inferior y en el cordón superior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento flector y el segundo momento de inercia. En las zonas cercanas a los apoyos se producen esfuerzos cortantes o punzonamiento. También pueden producirse tensiones por torsión, sobre todo en las vigas que forman el perímetro exterior de un forjado. Estructuralmente el comportamiento de una viga se estudia mediante un modelo de prisma mecánico.

Esfuerzo de deflexión en una viga

FORJADOS

Es un elemento estructural superficial capaz de transmitir las cargas que soporta y su peso propio a los elementos verticales que lo sostienen, dejando un espacio diáfano cubierto. Se emplea para conformar las cubiertas y las diferentes plantas de las edificaciones. Tipos de forjados:  Forjados unidireccionales: presentan rigidez solamente en una dirección, por lo que deben apoyar sobre elementos lineales tales como vigas o muros de carga:  Forjado de viguetas o solivas

 Forjado de placas alveolares: • •

En placas macizas puede no existir, y si existe, puede ir acompañado de capitel. En placas aligeradas (reticulares), su existencia es preceptiva, pudiendo ir acompañado o no de capitel.

 Forjado de prelosas: Las losas, como los forjados de viguetas, son desde el punto de vista resistente UNIDIRECCIONALES, es decir, se caracterizan por resistir a flexión en una sola dirección, dadas sus condiciones de apoyo y disposición de armaduras.

 Forjados bidireccionales: presentan rigidez en ambas direcciones, por lo que pueden apoyar sobre elementos puntuales, pilares, que no tienen por qué estar dispuestos de forma ordenada:  Forjados reticulares

 Forjados losas de hormigón

1.2 MUROS Y LÁMINAS

1.2.1 a) Temas que se tratan Muros, Láminas. Muros: Se denominan muros portantes o muros de carga a las paredes de una edificación que poseen función estructural; es decir, aquellas que soportan otros elementos del edificio, como los forjados o la cubierta. Cuando los muros soportan cargas horizontales, como las cargas del terreno, se denominan muros de contención

En esta fotografía se pueden apreciar elementos estructurales lineales o unidimensionales en el caso de las columnas. Éstas trabajan, como ya se mencionó, a una combinación de cargas de compresión y de flexión. Las cargas se transmiten consecutivamente de las columnas superiores a las inferiores y, finalmente, éstas lo hacen a los apoyos que se encuentran en el suelo.

En esta imagen se observa una estructura esqueletal formada por marcos rígidos de acero formados por elementos de barra. Estos elementos son de nuevo las columnas y además podemos notar claramente las vigas que junto con las columnas forman los marcos. Las vigas resisten y transmiten a sus apoyos las cargas por medio de flexión y cortante. La variación de esfuerzos normales a lo largo de la sección define una resultante de compresión y una de tensión que deben ser iguales, ya que la carga axial externa es nula. La magnitud del momento máximo que puede resistir la sección está definida por la magnitud de las resultantes de los esfuerzos internos que pueden desarrollarse y del brazo de palanca de dichas fuerzas. Si observamos la sección que en este caso tienen las vigas, nos daremos cuenta de que se trata de secciones en I, ya que ésta formación aumenta la eficiencia de la sección por el hecho de que incrementa el área en la zona donde los esfuerzos debidos a tensión y a compresión son los máximos.

En la imagen de la izquierda encontramos en la parte baja del edificio el equivalente del cable colgante para esfuerzos de compresión que es el arco. Se trata de una estructura rígida que transmite las cargas a los apoyos por compresión pura si su forma corresponde exactamente al funicular de las cargas aplicadas. Las reacciones en sus apoyos pueden tener un a componente horizontal si el estado de compresión pura no se logra. A esta reacción se le llama coceo e introduce problemas al resto de la estructura, especialmente cuando el arco es elevado.

Elementos planos Un grupo importante de elementos estructurales básicos se caracteriza por tener una dimensión muy pequeña con respecto a las otras dos y una superficie media plana. Estos elementos se identifican con el nombre genérico de placas, aunque adquieren nombres más específicos según la función estructural principal que desempeñan. Las placas sujetas a cargas normales a su plano y apoyadas en sus bordes son típicas de los sistemas de piso y techo, aunque cumplen un gran número de otras funciones en diferentes estructuras. Cuando son de concreto o de piedra o de construcción compuesta con estos materiales, se denominan losas. La flexión es la fuerza dominante en las placas con cargas normales a su plano. La fuerza cortante rara vez llega a regir su diseño. Por ser elementos de pequeño espesor y que trabajan a flexión, las losas sufren deformaciones importantes bajo carga, de manera que, la limitación de flecha y vibración en condiciones de servicio es el aspecto que rige normalmente el espesor de las placas. El muro o pared es una placa vertical en que predominan generalmente las cargas verticales que están distribuidas de manera uniforme en toda la longitud del muro por medio de un sistema de piso. Por ello es aceptable aislar una longitud unitaria

de muro y diseñarla como una columna. El concreto y la mampostería son los materiales clásicos para muros. El muro o panel sujeto a cargas laterales en su plano es un elemento común en edificios y en estructuras tipo cajón en donde se aprovecha la gran rigidez lateral que estos elementos tienen por su considerable peralte, para limitar las deflexiones horizontales de la estructura.

En esta imagen tenemos un ejemplo claro de elementos planos o bidimensionales que son los muros. En este caso los muros son de la modalidad muro diafragma y trabajan como elemento de rigidización ante cargas en el plano de la estructura, debido a las cuales va a estar sujeto a un estado de cortante en el plano. Su función es equivalente a la de diagonales de arriostramiento.

En la imagen anterior se muestran tanto elementos de barra como planos y su interesante interacción. Como elementos lineales tenemos las columnas, las cuales ya hemos discutido previamente y además vigas principales y secundarias. Las vigas secundarias en este caso se llaman vigas de acero de alma abierta o de secciones de lámina doblada. Éstas proporcionan en general soluciones más ligeras y económicas que los perfiles laminados y que otras vigas de alma llena, aunque dan lugar a un comportamiento menos dúctil. Existen diversas variantes que pretenden simplificar la cimbra y la construcción de la losa. En la estructura mostrada en la fotografía usa una lámina de acero corrugada apoyada sobre las vigas, como cimbra de losa de concreto; las láminas tienen corrugaciones en las cuales penetra el concreto produciendo un anclaje mecánico. De esta manera la lámina, de acero de alta resistencia, trabaja en tensión eliminando o reduciendo la necesidad de refuerzo en el lecho inferior. El sistema es indicado para pisos que deben soportar cargas elevadas. En el sistema de la foto, la armadura y la lámina corrugada de acero se conectan en taller para que esta última funcione como cuerda de compresión de la armadura en el periodo de construcción. Recibido el concreto sin necesidad de cimbra, los tres elementos trabajan como una sola unidad que puede soportar cargas considerables.

En el medio y el fondo de la toma encontramos unos elementos unidimensionales que se denominan diagonales de contraventeo o contravientos que son altamente rígidos y se utilizan para superar la excesiva flexibilidad ante cargas laterales que tienen como limitación los marcos rígidos.

En la estructura de la última imagen se puede apreciar otro tipo de losas. Estas losas son aligeradas, lo cual se consigue formando huecos por medio de elementos removibles o que quedan formando parte de la losa, llamada en este caso losa reticular. Se general una retícula de nervaduras poco espaciadas en las que se concentra el refuerzo de flexión. Problemas específicos de estas losas son el diseño por cortante de las zonas alrededor de las columnas para evitar la falla por punzonamiento. Para evitarla, se construyen capiteles y ábacos que ayudan a reducir los esfuerzos por cortante justo en las zonas donde las columnas se unen con las losas. Los huecos que se forman por la retícula se rellenan finalmente con poli estireno para poderle dar a la losa un peralte y acabado finales.

Otra variedad de muro es la que se muestra en esta estructura de cajón. Se trata de las placas que aparecen al costado derecho del edificio, a las cuales se les conoce como muros de rigidez. La función principal de este tipo de elementos es la de rigidizar y resistir cargas laterales en su plano, pero como este tipo de muros, a diferencia del muro diafragma, no se encuentra enmarcado en un sistema estructural que absorba las cargas axiales y la flexión, tendrá que ser él mismo el que resista dichos esfuerzos, además de esfuerzos cortantes.

En otra toma de la obra anterior se puede ver la estructura que se arma entre las dos torres con el fin de lograr un acoplamiento de los dos edificios de manera que se aumente la rigidez de la construcción y así se restrinjan los movimientos en el plano, y se reduzcan los giros de los muros.

Ahora tenemos un elemento de superficie curva que podría idealizarse como una superficie que se forma por la rotación de un semicírculo plano sobre un eje vertical. Una superficie de este tipo se puede visualizar como formada por meridianos que transmiten por compresión las cargas hacia los apoyos y por paralelos que restringen la deformación transversal de los meridianos, trabajando a tensión en algunas zonas y a compresión en otras. Para soportar dichos esfuerzos, para este caso se usaron armaduras conectadas entre si para formar el cascarón y posteriormente los huecos que quedan se tapan con cubiertas muy delgadas, logrando al final una estructura sumamente ligera que abarca un claro considerable.

Así como existen elementos estructurales unidimensionales y bidimensionales, también podemos encontrar, aunque no tan fácilmente, elementos en donde cada una de sus dimensiones es del mismo orden de magnitud. En la fotografía se muestra una zapata que como cimentación tendrá la función de transmitir la carga de la estructura al suelo, ésta deberá resistir las altas concentraciones de cargas impuestas por las columnas y el suelo mismo.

Referencias Las fotografías que se muestran en este trabajo fueron tomadas unas durante la construcción del Campus Puebla del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey ubicado en la vía Atlixcáyotl 2301 y otras durante la construcción del hotel Holiday Inn Express que se encuentra en el Boulevard Hermanos Serdán no. 45 Col. Amor en Puebla, Pue. Las fotos del aviario del parque ecológico de esta ciudad y del Palacio Municipal fueron tomadas de www.puebladelosangeles.gob.mx Referencias bibliográficas de : Meli Piralla, Roberto. Diseño Estructural, 2da. Ed. México, D.F.: Editorial Limusa, 2001.