Tipologia De Las Estructuras En Acero (tipological Review Of Steel Structures)

Primer encuentro del Acero en colombia

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El uso del acero estructural en Colombia se ha visto mitificado por un largo periodo de ostracismo y desconocimiento. El reciente auge, producido por la apertura de mercados motiva que se deba considerar nuevamente el concepto de su utilización. Este documento representa parte de un esfuerzo por mejorar la comprensión del uso de este noble material. No es un instrumento para calcular. Lo es para saber por qué calcular. Participe en el debate al respecto y ayúdeme sí a perfeccionar el texto. Tengo una presentación PowerPoint que refuerza este texto. Puede pedírmela.

TIPOLOGIA DEL ACERO ESTRUCTURAL Ingeniero German Urdaneta H Colombia

Introducción Elementos básicos La tipología del acero estructural corresponde, por la naturaleza misma de las piezas disponibles, a la del entramado o armazón. La clasificación usual se refiere a la manera de recibir la carga y a la forma genérica del conjunto estructural. Es importante notar que la acción de las piezas depende de la posición de la carga respecto al eje y no respecto a la gravedad. De manera que es perfectamente posible contar con vigas de eje inclinado e incluso vertical.(Por ejemplo, en vigas de techo) o con columnas horizontales (Por ejemplo en los apuntalamiento de excavaciones)

Tipos de soluciones. Se puede aplicar la conducta del material a secciones macizas, aunque de forma geométrica especial, tipología que se conoce como de alma llena, o a secciones conformadas por perfiles de menor tamaño, vinculadas entre sí por soldadura o pernado, y que obedecen al nombre genérico de alma abierta o celosía.

Tipologia fundamental La estructura construida con acero se logra con la aplicación, o combinación, de 5 tipos de elementos fundamentales: Vigas Columnas, puntales o soportes Cerchas o armaduras Pórticos o marcos Arcos Vigas Definición. Responde a la exigencia dominante con acciones de flexión Es una pieza estructural de forma prismática, que recibe cargas en dirección normal a su eje longitudinal.

Características de la acción estructural. La solicitación de la pieza depende de las condiciones de vinculo, (restricciones de extremo), de la longitudes entre soportes y de la magnitud y tipo de aplicación de las cargas externas. En especial, el manejo de los vínculos, permite controlar relativamente la intensidad de la solicitación. La eficiencia de la respuesta de la barra que se opone a la acción de las fuerzas depende de la calidad del material, de las condiciones de sustentación lateral y de la forma de la sección transversal. Como la calidad del acero es muy buena, ya que ofrece altos niveles de resistencia, es posible satisfacer la acción estructural con una menor cantidad de material. Sin embargo, las menores dimensiones de las piezas las hacen sensibles a la deformación, ya que esta no depende de la resistencia sino de las cualidades geométricas de la sección. Por esta razón, las estructuras de acero se construyen con contraflecha. (Deformación inicial inducida al fabricar y que se opone a la deflexion esperada) Germán Urdaneta H

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Para mejorar las condiciones de sustentación lateral, se recurre al arriostramiento adecuado antes que a la robustez de la sección. Nomenclatura. Aunque el término viga es de común aceptación, la jerga estructural, y en especial los localismos idiomáticos hace que se usen algunos términos específicos, que dependen de la importancia del uso. Entre estos vale la pena destacar los siguientes: Correas, perlines, cabrios, jácenas Son términos que se aplican a elementos de naturaleza secundaria, que reciben materiales de tejado o recubrimiento. Como la solicitación es reducida, su tamaño es pequeño. Se utilizan con mucha facilidad pequeños perfiles, secciones de lámina doblada y estructuras de alma abierta, incluso construidas con varillas o tuberías. Viguetas, se utiliza a menudo para denotar los soportes secundarios de los pisos, aunque el termino se asocia más con la tecnología del concreto reforzado. Viga maestra, Trabe, es una viga principal de carga. Corresponde al término inglés Girder Modelos tipológicos. Los modelos se derivan de la disposición geométrica y de los mecanismos de producción. Además, los tipos de sustentación producen tipos especiales. En cuanto a al sustentación, se distinguen los siguientes: La viga simple, que se asegura al soporte meramente para prevenir desplazaminetos significativos, pero que tiene libertad de giro. Estructuralmente es más ineficiente, pues más o menos una cuarta parte de la longitud se somete a esfuerzos muy por debajo de la capacidad de la viga. La viga empotrada, por el contrario recibe una vinculación muy firme con su soporte, y esta restricción de extremo induce una redistribución de solicitaciones, de manera que la longitud ineficiente se reduce a un 10% del total. Así mismo, la magnitud de la exigencia máxima se reduce en aproximadamente un tercio. Obviamente, la fijación es mas compleja y por consiguiente más costosa. La viga continua y el voladizo representan estados intermedios entre los dos extremos anteriores y son los muy frecuentemente usados. Se distingue la tipología, artificial por cierto, conocida por viga Gerber, que es una manipulación de la continuidad, al introducir articulaciones en la longitud de la estructura. En cuanto a la geometría básica, se distinguen los siguientes. En alma llena. Vigas de sección constante, que se logran usando los perfiles tal como vienen de fábrica. Tiene el defecto de que se desperdicia material por variación de la exigencia. La tipología se modifica, dimensionando los perfiles para exigencias inferiores a la máxima y añadiendo materiales de refuerzo para satisfacer los estados críticos. Vigas de sección variable, construidas a partir de perfiles normales, por corte y soldadura. Se distinguen tres tipos: Las vigas acarteladas en las cuales se modifica la sección de los extremos, añadiendo material para dar mayor resistencia. Se usan en el caso de vigas continuas. Las Vigas rearmadas, en las cuales se amplia la sección central, usadas en el caso de vigas simples. Y las vigas encasteladas o tipo Litzka, en las cuales se convierte una viga de alma llena en sección abierta por un ingenioso sistema de corte y soldadura. Vigas combinadas, en las cuales se configuran secciones tubulares, en cajón con almas múltiples. Usadas para salvar grandes luces. Enl alma abierta. La transición con el alma llena se logra con la llamada viga Vierendeel, que es una viga abierta, no triangular y en la cual los elementos de vinculación absorben flexiones. Es de fácil construcción, aunque su comportamiento es complejo.

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Las vigas en celosía, asumen una forma triangulada. Pueden ser planas, en TEE, triangulares o en cajón, según la forma de la sección transversal. Se presenta una gran cantidad de variantes dependiendo de los materiales usados.

Columnas, puntales o soportes. Definición Responde a la exigencia dominante con acciones de compresión. Es una pieza estructural de forma prismática que recibe cargas en la dirección de su eje longitudinal. Características de la acción estructural. La solicitación de la pieza depende en su orden de la magnitud y tipo de aplicación de las cargas externas, y de la concentricidad de la misma. Con mucha frecuencia las condiciones de aplicación de las cargas someten la pieza a acciones combinadas que deforman la condición estructural. La eficiencia de la respuesta de la barra que se opone a la acción de las fuerzas depende de la calidad del material, de las condiciones de sustentación lateral, de la longitud libre entre vínculos y de la forma de la sección transversal, acción que se combina en la esbeltez de la barra. En condiciones cotidianas de trabajo, la acción del pandeo lateral hace que la capacidad de las barras se reduzca substancialmente, por lo que la calidad misma del material pierde importancia como factor resistente. Es por esto que para mejorar las condiciones de sustentación lateral, y por ende su rigidez, se recurre al arriostramiento adecuado antes que a la robustez de la sección. Nomenclatura. El término general columna no recibe muchas variaciones. No es frecuente hablar de Pilares, término reservado a los mampuestos. Se puede hablar de codales, puntales, riostras y pie de amigos al hablar de elementos secundarios. Modelos tipológicos. Como en el caso de las vigas, los modelos se derivan de la disposición geométrica y de los mecanismos de producción. Además, los tipos de sustentación producen tipos especiales. Por lo general las columnas, a no ser que hagan parte de un pórtico, corresponden a un tipo semiempotrado, que garantiza fijación pero sin el costo de una restricción total al giro. Se presentan dos formas básicas en cuanto al perfil lateral. Sección recta, que se produce al usar el perfil tal comino viene del depósito, usual cuando la acción es simplemente de compresión. Sección variable, elaborada para resistir las exigencias de la flexocompresión. Por lo general son de sección menor en el apoyo y van ensanchándose hacia el codo. Por lo general hacen parte de pórticos. En cuanto al perfil transversal, se suele usar el material tal como viene. Sin embargo, en las celosías, se prefiere la forma de cajón, que es más compacta. En las celosías se establece una diferenciación en cuanto a los tipos de vínculos o presillas, ya que estas pueden ir desde la celosía que se hace con un zigzag de varillas , pasando por platinas, angulares y laminas perforadas.

Cerchas o armaduras. Definición. Resiste esfuerzos de flexión, siendo en esto análogas a las vigas. El termino se refiere a las estructuras articuladas, conformadas por barras livianas, vinculadas con uniones simples, tipo rótula, en configuraciones usualmente trianguladas y que se usan de manera dominante para soportar elementos de cubierta. Por extensión el lenguaje común lo aplica también a toda estructura de alma abierta. Características de la acción estructural. Germán Urdaneta H

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Aunque la característica técnica no lo obliga, se restringe a planteamientos bidimensionales, llevando la utilización tridimensional a la malla espacial o solución superficial .La transmisión de las fuerzas se hace siempre en el sentido axial de los diferentes componentes del entramado. La reacción siempre es por acciones de tracción y compresión . Esta posibilidad depende siempre de la acción de las uniones, que deben permitir en el mayor grado posible la libre rotación de las articulaciones. Como las diferentes confluyen a nodos comunes, pero no son paralelos ni coincidentes, pueden ofrecer la resistencia a la flexión por efectos de pares de fuerzas que se oponen a las acciones externas. Aunque el tamaño propiamente dicho de las barras componentes es limitado, las separaciones a las que es posible disponerlas son apreciables, de manera que el valor de los “pares de flexión” resultantes es apreciable. Como los elementos trabajan en esfuerzos puros y sus longitudes son reducidas, pueden trabajar cerca de sus capacidades máximas, de manera que la capacidad de resistencia en términos de la cantidad de material aportado ofrece una excelente opción, porque es altamente eficiente. Nomenclatura El término cercha es bastante universal. A veces, por eufemismo se usa armadura o trussa, que es un vulgar anglicismo. Antes bien el termino genérico se extiende a aplicaciones diferentes como las vigas y correas en celosía. Inclusive se aplica, obviamente en forma errada, a los postes y puntales. Modelos tipologicos. La diversidad tipologica es enorme. Generalmente la cercha se diseña para apoyo simple. Existen muchos modelos, bautizados a nombre de personas que los han usado. El principal determinante de economía esta en el diseño de las cintas o cordones. Es necesario dar a la cercha una altura adecuada, del orden de 1/15 a 1/10 de la luz. Con esta altura (en el centro) se debe controlar la longitud de pandeo de la cinta superior, sujeta a compresión, para lograr el máximo de la economía. Para la cinta inferior, que trabaja a tracción, se pueden buscar las mayores longitudes de barra. Las diagonales se deben disponer de manera que las piezas de tracción sean las mas largas y las de compresión las más cortas. En general, las cintas representan del 60 al 70% del peso de la cercha, correspondiendo el resto a las diagonales y a los medios de unión. El limite de formas reside en la imaginación. Se discuten algunos de los tipos que presentan mejores formas de reacción: Las estructuras en Abanico (Fink o Fan truss), presentan quizá la mejor posibilidad de economía, pues se puede controlar mucho mejor la longitud de las barras. Por otra parte la forma resultante es más grácil y elegante. Se prestan muy bien para solucionar los apoyos con canal de lluvias, mediante el “ embarrigamiento ”, que suministra una altura adicional. Los tipos compuestos de este modelo reciben el nombre de francesa. Sirven muy bien para luces de hasta 20 metros. Para longitudes mayores, son demasiado altas. Deben tener al menos tres módulos por vertiente, o sea que para menos de 10 metros, no son prácticas. Las estructuras de forma tradicional, conocidas como Warren, Howe o Pratt según sea la disposición de sus diagonales, presentan un inconveniente en cuanto a que las barras de compresión van creciendo en longitud. Las cerchas tipo lomo de camello,que tienen la cinta superior arqueada, son muy eficientes en cuanto a las cintas, pero dificultan la construcción de las cubiertas. Las tipo tijera, aunque son muy atractivas, son ineficientes por su acción estructural. Se usan también cerchas tipo diente de sierra, muy usadas para cubrir grandes luces con muy buen nivel de iluminación. Estas cerchas son prácticamente puentes de cintas paralelas. Es necesario disponer muy bien los detalles para garantizar la estabilidad lateral. Se utiliza con frecuencia el tipo de cercha cuchillo, sin tirante, pero este tipo aunque suministra un espacio interior mas libre y quizá más atractivo, presenta funcionamientos que no siempre se analizan y han sido causa de patologías. También se utiliza un tipo de seudocercha, articulada en la cumbrera, Germán Urdaneta H

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con tirantes en varilla, que resulta de muy bajo peso, lo cual le ha dado gran aceptación. Sin embargo este tipo de cercha pierde muy fácilmente su estabilidad en caso de incendio. Pórticos ó marcos. Definición Resiste la acción de fuerzas normales al eje de flexión por mecanismos de flexo-compresion. Se entiende por pórtico el elemento que integra la acción de vigas y columnas para formar un entramado. El termino se aplica más genéricamente a un solución plana o bidimensional. En general, se usa para referirse a las soluciones de nave (o crujía) simple o múltiple que cubren un espacio de magnitud apreciable. Características de la acción estructural. Combina la acción de la viga con la de la columna, añadiendo la ventaja del monolitismo en los codos de unión. Esta cualidad le dá un vinculo mas positivo a las vigas, mejorando considerablemente su capacidad de resistencia, mientras que las columnas reciben un soporte muy eficiente en su parte superior. Es condición indispensable la calidad de la unión del codo. Se presenta casi que de manera sistemática la acción de flexo-compresión en las columnas y cuando las luces son significativas, se presenta también en las vigas. Otra característica, en especial cuando se da el efecto de cumbrera es que la longitud efectiva de la viga se fragmenta, ya que las partes se vinculan parcialmente entre sí. Hace parte de un sistema espacial más complejo, en el cual el pórtico recibe las cargas generadas en superficies por medio de vigas o viguetas de acción secundaria. No se debe confundir este tipo con el “seudo-portico” que se obtiene cuando una cercha se apoya simplemente sobre una columna. En este caso se tiene la construcción, pero no la acción y los elementos funcionan por separado. Cuando se trata de pórticos de varios pisos, estos siempre actuarán en una dirección y el envigado que se aplique en otra dirección tendrá unicamente características de amarre. Si las uniones y el sistema de carga de la estructura permite la acción tridimensional, ya no se hablará de pórticos sino de entramados. Nomenclatura. Con la excepción del termino Marco, versión literal del frame inglés, se usa universalmente la acepción pórtico. Modelos tipologicos El mas notorio de los modelos es el pórtico rígido, el cual realmente merece el nombre genérico, pues produce la mejor distribución de esfuerzos. Lo caracteriza la rigidez en la unión de la viga y la columna. Se distinguen por el tipo de vinculación al cimiento Pórtico empotrado, resulta muy económico en material, pues se redistribuyen muy bien los esfuerzos. Sin embargo, es mucho más difícil de anclar al cimiento, de manera tal que responda al supuesto de vinculo. Los cimientos resultan considerablemente más costosos. Pórtico biarticulado, con unión simple en los apoyos, recarga más el comportamiento de la columna, pero al obtenerse un mayor momento en el codo, alivia mejor la viga. Es económico en cimientos y tal vez el tipo mas popular. El pórtico triarticulado, se construye con una articulación en cumbrera. Es muy simple de construir, se presta para prefabricaciones, pero resulta mucho más costoso en material, pues se pierde la rigidez del nudo central. Es posible obtener otros tipos de pórticos (Mansarda, diente de sierra, combinados), cuya utilización proviene de consideraciones utilitarias y estéticas.

Arcos. Definición Es una pieza estructural de forma curva bidimensional que recibe cargas normales a su eje y los transmite por compresión axial Características de la acción estructural. Germán Urdaneta H

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Es una solución muy eficiente, en cuanto no reciba efectos secundarios producidos por flexión, en cuyo caso se reduce drásticamente su acción. Es Solución práctica para grandes luces. Sin embargo, genera espacios muertos en los extremos, por lo que no es raro que la porción extrema se deje al exterior de la construcción. La restricción de los extremos debe coincidir con la suposición teórica que se ha utilizado en el análisis, por consiguiente los macizos de anclaje son complejos. Nomenclatura. No se usa una acepción diferente. Modelos tipologicos. Como el arco es prácticamente un pórtico curvo, aunque su comportamiento interno es bien diferenciado, su pauta tipologica es la misma de los pórticos. Se debe tener en cuenta que un arco siempre producirá reacciones horizontales en el apoyo.

Estructuras de una planta Las estructuras que cubren una sola planta tienen por objetivo casi exclusivo el soportar elementos de cubierta . Eventualmente, soportan pisos cuando la cubierta es independiente (Mezzaninos). Las construcciones se pueden clasificar como: Lineales Superficiales Volumétricas Lineales Cerchas sobre columnas. Siendo la opción más simple, es la más usada. Sin embargo la acción del viento puede convertirla en antieconómica, ya que se castiga el comportamiento de la columna. Se desperdicia la interacción de los dos elementos, y la columna es inestable en dos sentidos. Se propicia el uso materiales diferenciados (concreto y acero). Es necesario construir muy a menudo mensulas para acomodar canales de agua. Los elementos de soporte secundario se colocan de manera independiente. Exige arriostramientos en las vertientes y por separado para las columnas. Pórticos Son muy adecuados para los edificios prefabricados, para las luces grandes o cuando se necesita amplio espacio interior. Como en el caso anterior, las superficies de cubierta y paredes son inactivas, ya que solo sirven como medios de captación y transmisión de las cargas pero no participan de la acción integral. Arcos Es la solución más antigua que se conoce. Su uso comercial se limita a que su forma sea admisible dentro de la concepción del proyecto. Pueden construirse en tramos rectos de corta longitud (Dovelas)Se pueden cubrir fácilmente hasta 100 mts de luz.

Superficiales Estructuras bidimensionales traccionadas. Utilizan soportes adicionales provistos por cables desde soportes externos. Son estructuras complejas, de curvatura ya sea simple o doble, y se usan para cubrir grandes espacios de reunión o deporte. Hay ejemplos muy hermosos, como el astrodromo de Dallas. Por lo general, coexisten las estructuras metálicas con el concreto La demanda surge de la necesidad de cubrir grandes áreas con muy poca altura estructural y sin soportes internos. Placas de entramado Simula una placa en dos direcciones tiene las siguientes ventajas: - La altura estructural es menor que la del sistema uni-direccional equivalente. -Es más eficaz respecto a la transmisión de cargas asimétricas o en movimiento. -El número de soportes se disminuye y se puede espaciar más. Germán Urdaneta H

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- Se presta para la prefabricación y producción en serie.

Volumetricas Mallas espaciales. Su máxima eficacia se logra cuando la planta tiende a ser cuadrada. Cuando la proporción excede de 2:1 es mejor la solución unidireccional. Se justifica si las luces son del orden de 25 mts. La mejor disposición de soportes son 4 centrales. Pero se pueden usar otros esquemas. Por lo general la exigencia es bastante inferior a la resistencia que se puede aportar cumpliendo requisitos mínimos. Dado que su peso es bajo, el peso y el costo de los medios de unión. En el país es una tecnología que se está desarrollando. Sin embargo la ignorancia sobre sus cartacterísticas hace que su uso sea inadecuado en la mayoria de los casos. El arribismo nos lleva a darles un uso meramente ornamental. ( Aeropuerto Rionegro, Bulevar Niza) Estructuras tipo Shed Estructuras en las cuales las superficies son "activas" ya que todos los elementos contribuyen a la acción integral. Pueden competir desde 7 hasta 20 metros en una sola luz. Si el pórtico es de alma llena puede alcanzar hasta 33 mts.

ESTRUCTURAS DE VARIAS PLANTAS. La tipología dominante para construir edificios de varias plantas, es indudablemente la del entramado. Históricamente, se ha usado el entramado tridimensional de vigas y columnas, que reciben sistemas secundarios de viguetas. Esta naturaleza unidireccional del entrepiso sugirió siempre la acción de los pórticos dispuestos en ejes estructurales normales a las viguetas, y que se unían entre sí por medio de vigas de amarre. Son muchos los edificios concebidos con este concepto “domino ”. El advenimiento de las láminas metálicas, tipo “floor deck” que ya se producen en el pais con el nombre de Corpalosa, ha facilitado la concepción de la estructura integral. Este tema, desechado hasta hace apenas 4 años como utópico en el pais, ya ha cobrado tanta importancia que prácticamente daría origen a otro tratado . La tipología del edificio debe ser especifica Es decir, se debe diseñar para construir con estructura de acero. No es apropiado “ponerle” estructura metálica a un proyecto cualquiera. Los principales aspectos del diseño arquitectónico aplicado a la estructura metálica, se pueden resumir así: La cuadricula estructural debe ser lo mas regular y simétrica posible. Se deben reducir la cantidad de volados y entrantes que hagan atípicas las soluciones. Se deben evitar los giros caprichosos en el esquema estructural. Las paredes deben ser materiales livianos, tipo Drywall o prefabricados para poder obtener ventajas de la construcción metálica. La solución arquitectónica no debe ser excluyente de la posibilidad de arriostrar la edificación Se deben considerar las posibilidades constructivas de la localidad y la disponibilidad de equipos para el montaje. Al resultar mas livianos los pisos, se presentan posibilidades para la instalación de ductos y desagües, usando cielo rasos falsos. Las fachadas deben enfatizar el carácter de la estructura. Es necesario prever posibilidades de mantenimiento para los elementos estructurales. Se debe prever y evitar el peligro de la condensación de humedades que puedan inducir corrosión. Si le llamó la atención este texto, lo invito a consultar estos otros, también ubicados en este sitio Web: Germán Urdaneta H

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Alternativa al diseño.doc Desarrollo histórico del Acero.doc Usos del Acero.doc Paralelo acero concreto.doc Introducción al uso del acero.doc Producción del acero.doc

Además le invito a visitar el sitio www.pdfcoke.com en el cual he puesto algunos otros documentos bajo el seudónimo de licitar.

Y por favor, retroaliménteme

Germán Urdaneta H

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