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DISEÑO ESTRUCTURAL I
Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses
Campos
1
UNIVERSIDAD DEL GOLFO DE MEXICO
LICENCIATURA EN ARQUITECTURA
OTOÑO 2010.
PRIMER SEMESTRE
APUNTES
Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses
Campos
2
OBJETIVOS GENERALES:
Analizar el comportamiento de los distintos elementos deconstrucción.
Aprender a manejar los recursos y procedimientos para suanálisis.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
Ejercicios de cálculo y análisis apegados a la realidad práctica.
Exposición y discusión dirigida.
MODALIDAD DE EVALUACION DE LA ASIGNATURA
Exámenes exploratorios (3) 30%
A.C (trabajos, tareas, modelos) 60%
Participación 10%
TOTAL 100%
BIBLIOGRAFÍA
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3
FERDINAN, Beer; “Mecánica vectorial para ingenieros” (estática); McGraw Hill; 2002.
LUTHE, García Rodolfo; “Análisis estructural”, Edit. Alfaomega;México, 2000.
AMBROSE. James, “Estructuras”, Edit. LIMUSA; México, 2001.
CARMONA Y PARDO, M. J.; “Estática en arquitectura”; Trillas;México, 2001.
FRANCIS, A.J.; “Introducción a las estructuras”; Edit. LIMUSA;México, 2000.
TEMARIO
Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses
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• FORMAS DE CONSTRUCCION
– Construcción maciza
– Construcción de entramado.
– Construcción laminar.
– Construcción mixta.
• ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS.
– Elementos constructivos sujetos a cargas verticales (cimentación de piedra).
– Elementos constructivos sujetos a cargas verticales combinados con fuerzas o empujes horizontales (muros de contención).
– Elementos de transición entre la construcción maciza y de entramado (arcos dovelados)
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• ESTRUCTURAS
– Estructuras de masa activa.
• Transmisión de cargas.
• Diseño de ramas: octagonales, oblicuas, espaciales, etc.
• Estructuras de vector activo.
• Armaduras en el plano.
• Armaduras en el espacio.
• Estructuras de forma activa. Cable parabólico.
– Estructuras de vector activo.
• SUPERFICIES PLEGABLES.
– Prismas.
– Piramidales.
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• CENTROIDES.
– Secciones geométricas básicas y polígonos regulares.
– Secciones compuestas.
• CARGAS
– Apoyos.
– Acciones y reacciones.
– Esfuerzos.
– Deformaciones.
– Flexión.
CONSTRUCCIÓN MACIZA
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Las construcciones macizas son aquellas que están formadas generalmentepor elementos pesados. Por ejemplo:
Piedra, ladrillo, block macizo, concreto simple y armado.
Perfiles laminados de acero como vigas y placas.
Elementos de madera como vigas y polines
A simple vista nos podemos dar cuenta que son construcciones pesadas ymasivas.
También podemos comprobarlo dando golpes y así sentir la solidez de laconstrucción.
Este tipo de construcción es el más común en nuestro alrededor.
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Por ejemplo:
Casas de ladrillo con castillos, cadenas y losas de concreto.
Estructuras de naves industriales con vigas y placas de acero.
Casas de madera con estructura de vigas y polines de madera.
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Ejemplos de casas y edificios construidas con ladrillo y
concreto armado.
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Ejemplos de casas construidas con ladrillo y concreto
armado.
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Ejemplos de naves industriales construidas con vigas y
placas de acero.
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Ejemplos de casas construidas con madera maciza.
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1.2 Construcción de entramado.
Son construcciones que están formadas por redes
o tramas tipo celosía.
Son estructuras portantes capaces de mantener el
equilibrio de las fuerzas que se generan en ellas.
Las reconocemos fácilmente por que tienen
armonía, ritmo y están construidas en serie.
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Ejemplo de un entramado de concreto reforzado.
(Losa de vigueta y bovedilla).
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Ejemplo de un entramado de perfiles de acero.
(Estructura de una vivienda).
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Ejemplos de un entramados con perfiles de acero.
(Estructuras de edificios).
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Ejemplo de un entramado de madera.
(Estructura de una vivienda).
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1.3 Construcción laminar.
• Las construcciones laminares se caracterizan por
ser muy esbeltas; lo cual les confiere un aspecto de
“lámina”; este tipo de construcciones pueden
realizarse con concreto armado, ladrillo, metal,
madera, cristal y plásticos.
• A este tipo de estructuras se les conoce también
con el término de “cascarones”.
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Ejemplos de cascarones de concreto.
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Ejemplos de cascarones de concreto.
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Ejemplos de cascarones de ladrillo.
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Ejemplo de estructura laminar de metal.
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Ejemplos de estructuras laminares de madera.
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Ejemplos de estructuras laminares de cristal.
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Ejemplo de estructura laminar de plásticos y
policarbonatos.
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Ejemplo de estructura laminar llamada
Velaria o tensoestructura.
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Ejemplo de estructura laminar llamada
Velaria o tensoestructura.
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Ejemplo de estructura laminare llamada
Velaria o tensoestructura.
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Ejemplo de construcción mixta.
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Ejemplo de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplo de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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2. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS.
2.1 Elementos constructivos sujetos a cargas verticales
(cimentación de piedra).
CIMENTACIÓN
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Cimentación.- es la parte intermedia entre la superestructura
y el suelo sobre el cual se apoya un edificio. Su función es la
de transmitir cargas al suelo.
Este suelo debe ser capaz de recibir dichas cargas. Para lo
cual la cimentación debe ser calculada y diseñada.
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TIPOS DE CIMENTACIÓN.
1) Superficiales 2) Profundas
Cimentaciones superficiales o someras.
Son las mas comúnes, son las que usamos en viviendas,pequeños edificios, construcciones ligeras, etc.
Y cuando el terreno es duro a medianamente duro.
Cimentaciones profundas.
Son aquellas que se utilizan para grandes edificaciones,construcciones pesadas o cuando el terreno es blando.
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Cimentaciones superficiales.
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Cimentaciones profundas.
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Cimentaciones profundas.
Pilote mediante rotación en seco.
1. Perforación mediante barrena
2. Colocación de la armadura
3. Hormigonado mediante tubo Tremie
4. Pilote terminado.
http://aparejata.wordpress.com/2007/09/01/tipos-de-pilotaje/
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REQUISITOS GENERALES PARA UNA CIMENTACIÓN
a) Toda cimentación deberá desplantarse a una profundidad
adecuada, es decir, sobre terreno firme.
b) El sistema de cimentación deberá ser seguro contra el
momento de volteo, rotación, deslizamiento o ruptura del
suelo (falla al esfuerzo cortante).
c) Deberá evitarse la corrosión del acero de refuerzo y el
deterioro de la cimentación contra agentes nocivos.
d) Los asentamientos diferenciales deben ser tolerables por el
sistema de la cimentación.
e) La cimentación deberá ser económica.
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PROFUNDIDAD DE DESPLANTE
Las cimentaciones superficiales deberán desplantarse debajo dela capa vegetal del suelo, a una profundidad tal, que nocorra peligro de quedar destapada o socavada por la accióndel viento o del agua (pluvial o subterránea).
Si el nivel de desplante se localiza en suelo arcilloso, deberátenerse mucho cuidado con los asentamientos, sobre todo sise trata de zapatas aisladas, una alternativa de soluciónsería mejorar el suelo mediante una sustitución de material.
En caso de encontrarse arcillas expansivas lo conveniente seráconsultar al especialista en mecánica de suelos.
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SOLUCIONES A TERRENOS INCLINADOS
Cuando en un terreno se presentan desniveles importantes,
podrá optarse por escalonar la cimentación de acuerdo con
la red estructural o bien, podrá rellenarse perfectamente
para apoyar de manera adecuada la cimentación.
En ningún caso deberá desplantarse una cimentación sobre una
superficie inclinada, debido al posible deslizamiento
provocado por la fuerza tangencial a la superficie de apoyo.
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SOLUCIONES A TERRENOS INCLINADOS.
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relleno
cimiento
Muro de
contención
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MAQUINARIA PARA RELLENOS
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ESTRATOS DE SUELO
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Para conocer el tipo de suelo del terreno donde va a cimentarse,
es necesario explorar el terreno natural por medio de
sondeos con máquina o bien por medio de pozos a cielo
abierto.
Los pozos a cielo abierto , consisten simplemente en excavar un
pozo en el terreno natural, de las dimensiones mínimas que
permitan a un peón excavar con pico y pala
(aproximadamente 1x2m). De las paredes de este pozo se
puede observar los distintos tipos de suelos en sus
condiciones naturales, lo que constituye una gran ventaja.
Por economía este tipo de excavación no va mas allá de 3 m de
profundidad, para evitar traspaleos.
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La profundidad mínima de exploración en la excavación del pozo
a cielo abierto, debe ser igual o mayor a 1.5-2.0 el ancho “b”
de la cimentación.
Excavación ≥ 1.5-2.0 veces b
A esta profundidad los esfuerzos que transmite el cimiento al
suelo son aún significativos.
Todo esto aplica excepto cuando al explorar encontramos roca.
Tipos de suelos
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• Gravas
• Arenas
• Limos
• Arcillas
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http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/YM5.html
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http://edafologia.ugr.es/comun/congres/clasolt.htm
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EXC
AV
AC
ION
= 1
.5 b
105 C
M
EXCAVACIÓN EN OBRA PARA
VERIFICAR EL TIPO DE TERRENO
CIMIENTOS DE
MAMPOSTERIA DIBUJADO
EN PLANO
PROFUNIDAD DE POZO DE EXPLORACIÓN =
b = 60 cm
30 cm
80 c
m
Preferentemente 2b
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ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN
Cuando se construye una estructura es casi inevitable que se
produzca algún asentamiento, por lo que deberán tenerse
en cuenta los materiales que constituyen el suelo, al
momento de diseñar la cimentación.
1) Los materiales granulares como gravas, arenas gruesas y
medias, alcanzan generalmente su máximo asentamiento al
aplicarles la carga, y con el tiempo se van asentando mas
poco a poco.
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ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.
2) Los materiales como el limo y la arena fina pueden alcanzar
una gran parte de su consolidación al aplicar la carga.
Aumentando el asentamiento a lo largo del tiempo, debido a
que el contenido de agua disminuye con la carga impuesta.
Si el suelo tiene libertad de moverse en forma lateral por que hay
saturación con agua, puede haber movimientos de gran
importancia, con peligro para la estructura.
En ocasiones es tanta la saturación con agua que el suelo flota si
la arena esta muy suelta, con lo cual puede haber
asentamientos diferenciales peligrosos.
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ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.
3) Las arcillas alcanzan parte de su consolidación en el momentode aplicar la carga, pero como son plásticas, generalmentecontinúa esta consolidación a lo largo del tiempo en formalenta.
Una cimentación apoyada sobre una arcilla superficial se puedeir asentando a medida que esta se seca en época deestiaje, pero en época de lluvias la arcilla absorbe agua y seexpande, haciendo subir a la estructura. Provocando dañosa la edificación, durante la contracción-expansión del suelo.
Este tipo de suelo es conocido como “arcillas expansivas”.
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SOLUCIONES PARA EVITAR ASENTAMIENTOS
a) Para evitar movimientos en la estructura es necesario que la
cimentación se desplante a una profundidad en la que los
efectos de expansiones-contracciones se eliminen.
b) En la mayoría de los casos se recomienda extraer las
arcillas, (dependiendo de su grado de expansividad) cuando
la capa de arcilla es gruesa, la alternativa es colocar entre el
cimiento y la arcilla una capa mínima de 40 cm de arena
media o gruesa, bien compactada.
c) Evitar por medio de banquetas o firmes, escurrimientos o
filtraciones de agua que lleguen a la arcilla.
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SOLUCION PARA EVITAR ASENTAMIENTOS.
CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA
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Son cimientos de tipo superficial.
Cuando se cálcula y diseña una cimentación, los resultadosobtenidos deben vaciarse en planos.
Estos planos que se llaman “estructurales de cimentación”llevarán notas que indiquen los materiales y el procesoconstructivo que se realizara y que permita garantizar sucorrecta ejecución.
Algunas de las notas más importantes son:
1) Niveles de desplante respecto al banco de nivel.
2) Cotas perfectamente detalladas.
3) En el plano se debe indicar la capacidad de carga delterreno con la cual se diseño la cimentación.
4) Tipo de mortero a emplearse para pegar la piedra.
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Las dimensiones y secciones de los cimientos se indicarán en los
planos estructurales correspondientes.
Se emplearan piedras de gran tamaño, limpias, no fracturadas,
unidas con mortero de cemento:cal:arena, con juntas no
demasiado grandes, rellenando las oquedades de las
uniones con piedras de menor tamaño.
El escarpio deberá ser mayor a 60°.
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La corona del cimiento no será menor a 30 cm. (se recomienda
que el ancho de la corona sea el doble del espesor del
muro).
Esta corona deberá rematarse con piedras de gran tamaño para
evitar juntas en el asiento de la cadena.
Deberán preverse los anclajes de los castillos de acuerdo a lo
indicado en los planos del proyecto.
Se dejarán previstos los pasos de ductos de instalaciones
sanitarias, hidráulicas y eléctricas.
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DETALLE DEL ANCLAJE DEL CIMIENTO
Anclaje mínimo de 40 cm.
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DETALLE DEL PASO DE INSTALACIONES
ESPECIFICACIONES DE MATERIALES
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LECHADA: cemento ó cal + agua.
MORTERO: cemento y/o cal + arena + agua.
CONCRETO: cemento + arena + grava + agua.
Al mortero se le conoce comúnmente como “mezcla”.
Al concreto se le conoce comúnmente como “revoltura”.
Al concreto en algunos libros extranjeros se le nombra como
“hormigón”.
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TABLA DE PROPORCIONAMIENTO DE MORTERO ESTRUCTURAL
TIPO DE
MORTER
O
PARTES DE
CEMENTO
HIDRAÚLIC
O
KG/CM2
PARTES DE CAL
HIDRATADA
PARTES DE ARENARESISTENCIA A
COMPRESIÓN
I 1 0 A 1/4 NO MENOS DE 2.25 NI MAS
DE 3 VECES LA SUMA DE
CEMENTANTES EN
VOLUMEN
125
II 1 1/4 A 1/2 75
III 1 1/2 A 1 1/4 40
I 1 0 3 125
1 0.25 3.75 125
II 1 0.25 3.75 75
1 0.5 4.5 75
III 1 0.5 4.5 40
1 1.25 6.75 40
RESISTENCIA A
COMPRESIÓN TIPO DE MORTERO
BULTOS DE
CEMENTOBULTOS DE CAL BOTES DE ARENA
EJEMPLOS
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CARGAS MUERTASCapítulo VI del Reglamento de construcción del Municipio de
Puebla.
ARTICULO 345.- VALORES NOMINALES: Para la
evaluación de las cargas muertas se emplearán los
pesos unitarios especificados en la tabla siguiente: (ver
tablas de pesos volumétricos). Los valores mínimos
señalados se emplearán de acuerdo con el Artículo 333
cuando sea mas desfavorable para la estabilidad de la
estructura considerar una carga muerta menor, como en
el caso de flotación, lastre y succión producida por el
viento. En los otros casos se emplearán los valores
máximos.Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses
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II.- SUELOS:
Arena de grano seca 1.75 1.40
tamaño uniforme saturada 2.10 1.85
Arena bien graduada seca 1.90 1.55
saturada 2.30 1.95
Arcilla 1.50 1.20
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BAJADA DE CARGAS
EJEMPLO 1
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En la losa no se multiplica
por 0.20
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DISEÑO DE CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA
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CONFORME A LAS NTC-DF
RESISTENCIA DE LA PIEDRA A COMPRESIÓN EN
DIRECCIÓN NORMAL A LOS PLANOS DE FORMACIÓN
= 150 KG/CM2
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Las piedras no necesitarán ser labradas, pero se evitará, en lo
posible, el empleo de piedras de formas redondeadas y de
cantos rodados.
Por lo menos, el 70 por ciento del volumen del elemento
estará constituido por piedras con un peso mínimo de 300 N
(30 kg), cada una.
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ESFUERZOS RESISTENTES DE DISEÑO
MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO > 50 KG/CM2
f*m = 20 kg/cm2 (compresión)
v* = 0.6 kg/cm2 (cortante)
MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO < 50 KG/CM2
f*m = 15 kg/cm2 (compresión)
v* = 0.4 kg/cm2 (cortante)
CÁLCULO DE CIMIENTOS DE
MAMPOSTERÍA
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2.2 MUROS DE CONTENCIÓN.
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La función de estos muros es la de presentar una barrera física
que impida que un material de relleno invada una zona
determinada. Existen casos en que la única función del
muro es la de contener el empuje del terreno.
Los muros de contención son muy empleados en proyectos de
casas habitación cuando hay necesidad de cimentar sobre
un terreno inclinado.
En este caso, se debe de realizar un corte en el terreno para
desplantar a nivel la cimentación. El cimiento entonces es
sujeto a una combinación de cargas horizontales y
verticales y, de este modo, se debe de analizar como muro
de contención.
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CÁLCULO DEL EMPUJE DEL TERRENO.
Se han desarrollado diversas teorías que establecen el valor del
empuje E que actúa, por efecto del terreno, sobre un muro
de contención. De las más conocidas son las de Coulomb,
Rankine y Terzaghi.
Las NTC recomiendan el empleo del método semi empírico de
Terzaghi para el caso de muros con una altura menor a 6
m, siempre que se satisfagan requisitos de drenaje, para
cuyo caso se emplean un filtro atrás del muro lloraderos y/o
tubos perforados.
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Teoría de Coulomb
Cuando en forma libre se aglomeran materiales de cualquier tipo,
tales como arena, grava, arcilla, etc., y no existe ningún
impedimento al desplazamiento horizontal, el material en
cuestión toma un ángulo de inclinación hasta alcanzar un
estado de equilibrio.
A dicha inclinación se le llama talud natural y al ángulo que toma
dicho talud se le llama ángulo de talud natural .
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SOLICITACIONES EN MUROS DE CONTENCIÓN.
Los muros de contención se deben verificar para que resistan las
cuatro siguientes solicitaciones:
Volteo, Deslizamiento, Hundimiento en el terreno y Cortante
directo en la mampostería .
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DRENAJE EN LOS MUROS DE CONTENCIÓN
Es muy importante que este tipo de estructuras tenga un sistema de
drenaje eficiente, pues sin el la estructura puede correr un gran
peligro de sufrir un daño estructural severo.
El drenaje sirve para liberar exceso de humedad contenida entre el
muro de contención y el terreno que contiene.
Las soluciones más comunes son los drenajes perforados que vierten
el agua hacia algún sistema de desagüe.
Otra solución son los “lloraderos”, los cuales son poco estéticos para
usar en construcciones habitables.
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EJEMPLOS
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EJEMPLO 1
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REVISION POR DESLIZAMIENTO
Se debe cumplir 1.04 ? 1.50 (coeficiente de friccion x Mvd) / Eu
NECESITA ESPOLON CALCULARLO Y PONERLO
si es menor a 1.5 es incorrecto, el muro falla por deslizamiento, se colocara un espolon
si es mayor a 1.5 es correcto
Calculo del espolon
Vue = (1.5 x Eu) - (0.6 x Mvd)
Vue = 6,028.88
r = 100.48 cm Vue / (100 x coeficiente de friccion )
REVISION POR CORTANTE
se debe cumplir
Vr ? VU
30,000.00 ? 2,100.00 CUMPLE
h x 100 x 100 x .6 1.4 x P externa
corona = 0.75 m
base B = 2.70 m
altura h = 5.00 altura sobre el nivel del terreno
h enterrada = 1.00 20% de h
h total = 6.00 altura enterrada + altura sobre el terreno
espolon = 100.48 m
m3 de mamposteria = 10.35 por metro lineal
CONCLUSIÓN QUE SE DIBUJARA EN EL PLANO
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ARCOS
Son elementos formados por elementos pétreos
dispuestos en tal forma que permiten soportar
cargas sobre ellos y trasmitirlas a los apoyos.
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Nomenclatura de los arcos
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ARCOS
“Teorema del tercio medio”.
Cuando a una superficie se le aplican fuerzas, la
presión total es un sistema de vectores paralelos
de diferente intensidad. Este sistema tiene una
resultante cuya dirección, sentido y punto de
aplicación pueden determinarse .
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Recomendaciones para predimensionar el peralte de un arco
Luces Medio punto Rebajado Apuntado
De 0.0 a 2.0 m 1 asta 1.5 astas 0.5 astas
De 2.0 a 3.5 m 1.5 astas 2 astas 1 asta
De 3.0 a 6.0 m 2 astas 2.5 astas 1.5 astas
De 6.0 a 9.0 m 2.5 astas 3 astas 2 astas
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
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Ejemplos de construcción mixta.
Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses
Campos
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Ejemplos de construcción mixta.
Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses
Campos
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José Victor Meneses Campos
jovimeca@gmail.com
Puebla, México.
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