leccion nº 38 - 3d studios p.l.r

Escuela Politécnica de Cuenca Unidad Temática 10 Arquitectura Técnica Lección 38

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BLOQUE TEMÁTICO 3 UNIDAD TEMÁTICA 10

LECCION 38 TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL EN

ACERO


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INDICE

1. Enlace viga-soporte. Forma de trabajo

2. Estructuras totalmente isostaticas (nudos articulados)

3. Formas de reducir el momento al mínimo en estos nudos

4. Estructuras con vigas continuas

5. Estructuras de pórticos con nudos rígidos

6. Estructuras especiales

7. estructuras espaciales

8. Estabilidad horizontal. Arriostramientos

9. Juntas de dilatación en estructuras metálicas

10. Prescripciones para estructuras metálicas frente al sismo

11. Deformabilidad. Esbeltez. Pandeo.

12. Resistencia ante el fuego. Protección.

13. Corrosión. Protección.


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TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL EN ACERO

ESQUEMAS ESTRUCTURALES.

Las estructuras metálicas para edificios están formadas fundamentalmente por: • Pilares o soportes, que apoyan sobre la cimentación. • Vigas o jácenas, que cargan sobre los soportes. • Forjados, que transmiten sus cargas a las vigas. • Arriostramientos y correas de atado, para evitar desplazamientos y

deformaciones.

Algunas vigas pueden transmitir su reacción por uno o por sus dos extremos, no a un pilar, sino a otra jácena. Esta unión se denomina "brochal".

También puede ocurrir que algún soporte no llegue a la cimentación, bien porque esté colgado, bien porque descanse en un elemento en flexión (viga), denominándose "pilar apoyado sobre jácena" o "pilar apeado".

Las diversas formas en que pueden quedar enlazados las vigas y los soportes dan lugar a diferentes tipos de estructuras:

• Estructuras totalmente isostáticas. • Estructuras con vigas continuas. • Estructuras de pórticos con nudos rígidos. • Estructuras especiales.

En el siguiente esquema se relacionan los diferentes elementos que const i tuyen la planta de estructura metál ica de un edif ic io.


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Todo el contorno de la planta, patios, huecos y escalera deben quedar unidos mediante jácenas o correas de arriostramiento. Si las viguetas de forjado son de acero, no necesitaremos correas de atado, puesto que podemos soldar las viguetas de los extremos a los pilares, cumpliendo con ello ambas funciones: soportar carga y arriostramiento. 1.ENLACE VIGA-SOPORTE. FORMA DE TRABAJO. Antes de iniciar el estudio a fondo de cada uno de los tipos estructurales y de sus uniones, partiremos de la base de que los enlaces viga-soporte, se pueden clasificar en dos grandes grupos: apoyos rígidos y apoyos articulados o flexibles, cuyo funcionamiento vamos a estudiar a continuación, de forma muy sencilla, con independencia de que, posteriormente, se completen con el estudio más profundo de los nudos y enlaces. La forma de trabajo de la jácena, en su unión con el soporte, depende del tipo de enlace. El apoyo rígido impide el giro del extremo de la viga, por lo tanto trabaja a tracción la parte alta de la viga y a compresión la parte inferior de la misma.


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El apoyo articulado o flexible permite el giro del extremo de la viga por lo que la parte alta de la misma trabaja a compresión y su parte inferior lo hace a tracción, tal como puede observarse en las figuras siguientes.

En el nudo rígido, se suelda todo el perímetro de la viga con la cara del pilar y se consigue eliminar todos los posibles movimientos de la viga. En estas uniones rígidas, la transmisión de esfuerzos al pilar es muy importante y pueden ocasionarle deformaciones en el alma, alas, etc. tal como se muestra en los dibujos siguientes, y cuyas soluciones estudiaremos más adelante.


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2.ESTRUCTURAS TOTALMENTE ISOSTÁTICAS (NUDOS ARTICULADOS). Es el tipo de construcción más utilizado, puesto que tiene mayor rendimiento tanto en taller como en montaje en obra, por consiguiente resulta el de menor costo por kg. de acero en estructura terminada. En este tipo de estructura, los soportes están sometidos fundamental mente a compresión y las vigas se articulan sobre ellos, no importando cual sea su dirección en el plano horizontal, por lo que este tipo es de la mayor flexibilidad en lo que se refiere a las necesidades arquitectónicas. El esquema siguiente representa una estructura con nudos articulados.

Los soportes de las diversas plantas. por su forma de enlace, pueden considerarse como articulados unos con otros en la base. La estructura así concebida es un mecanismo, por lo que para oponerse a los esfuerzos horizontales producidos por sismos, viento u otras causas, de disponerse unos elementos estructurales capaces de resistir solicitaciones. Para ello se utilizan diagonales (arriostramientos), tal como veremos más adelante. El cálculo de las jácenas se realiza en la hipótesis de la viga articulada en sus dos extremos aunque, como veremos cuando se estudien los detalles constructivos, los enlaces puedan transmitir un cierto momento flector al soporte, debido a que no se consigue una perfecta unión isostática. Los soportes se pueden también calcular como articulados en sus dos extremos, con carga axil la mayor parte de las veces, y con carga excéntrica en algunos casos.


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En el siguiente apartado. puede verse de qué forma pueden enlazarse los extremos de la viga para poder suponer que está articulada en los soportes, es decir, como se materializan en la práctica las rótulas teóricas. Nudo articulado. Para efectuar un apoyo articulado de una viga en un soporte, ha de adoptarse una disposición que impida el movimiento de la viga en dirección del eje del soporte, o sea impedir su desplazamiento vertical, permitiendo, sin embargo, un giro en sentido longitudinal de la viga. lo suficientemente grande para conseguir que el momento flector que pueda inducirse en la unión sea despreciable. Esos nudos articulados. apoyos flexibles o uniones simples, los podernos conseguir por cualquier procedimiento que facilite el giro de la sección extrema de la viga al tiempo que impide las traslaciones verticales u horizontales. Veamos algunos procedimientos: 1º- Soldando directamente el alma de la viga. Para que la unión pueda ser considerada flexible la longitud de los cordones de soldadura no debe ser. mayor que los 2/3 de la altura del alma. tal como se detalla en las figuras siguientes: aliado, sección y perspectiva.


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Una solución muy buena, variante de la anterior, es la indicada en la figura siguiente. Consiste en cortar las 2 alas de la jácena en forma de chaflán, con lo cual al flectar la jácena no transmite momentos al pilar, puesto que sus alas no llega n a él. Una vez soldados los 2/3 del alma, se elimina el angular de apoyo y queda un buen nudo con jácena articulada.

2°- Apoyando o soldando la viga sobre un angular soldado al soporte. Para impedir el vuelco de la viga se colocan pequeños angulares en la parte alta del alma, por ambos laterales de la viga. soldados sólo al pilar. El giro se produce por deformación del ala libre del angular. Para evitar movimientos verticales hacia arriba, se puede colocar un angular encima del ala superior de la viga, soldado sólo al pilar. Ver figuras siguientes.


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3°.- Uniendo el alma de la viga con el soporte, mediante angulares soldados sólo en los extremos de las alas. La flexibilidad de la unión se confía a la deformación de los angulares en sus partes libres de soldadura. Obsérvese que en la unión de angular y soporte sólo se ha soldado los bordes verticales de los angulares, dejando libre su extremo superior e inferior, tal como se detalla en las siguientes figuras. El angular de montaje es provisional. Una vez colocada la jácena, dicho angular se elimina.


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4° Efectuando una unión similar a la anterior, pero uniendo los angulares al soporte por medio de tornillos que garantizan el giro de la viga, al ser la unión menos rígida que la soldadura y poder trabajar los tornillos a tracción.

En todos los casos la reacción de la viga produce un cierto momento flector en el soporte, producto de la distancia entre el punto de apoyo de la jácena y el eje del alma del soporte (descentramiento de la carga).

Para reducirlo, una posible solución consiste en colocar la viga contra el alma del soporte, tal como se detalla en las siguientes figuras, disminuyendo así el brazo de palanca.


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3.FORMAS DE REDUCIR EL MOMENTO AL MÍNIMO EN ESTOS NUDOS. En los casos de soportes de un solo perfil, ya hemos visto procedimientos para reducir los momentos en los nudos (soldar sólo 2/3 del alto del alma de la jácena, efectuar la unión de la jácena sobre el alma del soporte, etc.). Si se trata de soportes formados por dos perfiles separados, puede evitarse todo momento flector, por descentramiento de la carga, mediante la disposición de viga pasante, tal como se indica a continuación. Esencialmente consiste en que la viga sea continua, pasante por el espacio que queda entre los dos perfiles del pilar, apoyada sobre un trozo de casquillo IPN que va soldado por la parte interior de los dos perfiles del pilar. En la primera perspectiva de las insertadas a continuación se detalla una viga pasante en un pilar de última planta. Los soportes formados por 2 UPN empresilladas con las alas hacia el exterior. En la segunda perspectiva el pilar está ubicado en una planta intermedia, formado por 2 UPN empresilladas, con las alas hacia el interior.


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La opción de viga pasante es muy buena porque favorece tanto a la viga como al soporte. La viga, al ser pasante, se calcula como continua, con menores momentos flectores. El pilar, excepto los de medianera o esquina, recibe carga por ambos lados, por tanto puede considerarse que sólo recibe carga axil, por compensación de cargas. Solución de viga pasante en apoyo con el pilar. Es importante que las presillas existentes junto a la viga pasante, tanto la superior como la inferior, no estén en contacto con ella, para evitar que al flectar la viga pueda transmitir esfuerzos al pilar, fundamentalmente flexiones. Si el apoyo de la viga pasante se efectúa sobre una superficie horizontal, tal como ocurre cuando se apoya sobre el ala superior de un trozo de perfil IPN, que es lo habitual, puede ocurrir que la viga pasante flecte más de un lateral que del otro, con lo cual está transmitiendo sobre dicho apoyo horizontal, una tendencia al giro del mismo, transmitiendo al pilar una cierta flexión. Para evitarlo, es necesario que el apoyo de la viga pasante sea puntual, para lo cual, se suelda un trocito de redondo longitudinalmente encima de la mini-viga que hemos introducido dentro del pilar, y la viga pasante apoyará encima del redondo, con lo que se considera simplemente apoyada

Cuando los apoyos de la jácena son puntuales y todas las cargas que soporta la jácena se transmiten verticalmente a dicho apoyo, y especialmente si las cargas son importantes,


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es necesario colocar en la jácena cartelas de rigidización verticales, uniendo alas y alma, para evitar abollamientos, tal como se observa en la siguiente Perspectiva, correspondiente a una viga pasante, con apoyo puntual.

4.ESTRUCTURAS CON VIGAS CONTINUAS. En las estructuras con vigas continuas existe una ventaja para las vigas y un inconveniente para los pilares. Las vigas se calculan como continuas, con lo que disminuyen notablemente sus momentos flectores y, por tanto, su sección y peso, lo que supone una economía importante. Para que las vigas sean continuas hay que cortar los soportes, lo que implica que, una vez se haya colocada la viga continua sobre el soporte inferior, hay que colocar el soporte superior encima de la viga y se "reconstruye" el trozo de soporte que falta, hasta conseguir la continuidad del mismo. Para ello es necesario suplementarle al nudo cartelas de las mismas dimensiones del soporte inferior cortado, a modo de rigidizadores, para reconstruir la zona que falta. De este modo se consigue dar continuidad al pilar y evitar que el alma de la jácena continua pueda "aplastarse" por el peso del pilar superior. Esta solución es costosa porque necesita mucha mano de obra. En la figura siguiente se representa de forma esquemática una estructura de este tipo. En el lateral derecho puede observarse la diferencia entre los diagramas de momentos flectores de las 3 vigas independientes y los de la viga continua de 3 tramos, para un mismo tipo de perfil. Gráficamente queda demostrada la conveniencia de la utilización de vigas continuas, en cuanto a su economía.


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La utilización de refuerzos en alguna zona de la viga junto con el empleo del cálculo en plasticidad, conducen a un aprovechamiento excelente del material.

Nudo de vigas continúas. La forma más usual de realizar un apoyo de viga continua, consiste en proyectar el soporte a base de dos perfiles empresillados separados lo suficiente para que las vigas puedan pasar entre ellos con cierta holgura. El yo se realiza directamente sobre un casquillo de perfil, generalmente soldado a los dos perfiles que constituyen el fuste del soporte: o bien, si la viga es muy importante_ interponiendo entre ella y el casquillo un cuadradillo o un trozo de barra redonda. con lo cual conseguimos que se cumpla de manera más perfecta la hipótesis de apoyo puntual. En la siguiente figura se indica cual puede ser la disposición de un nudo de este tipo. Para que el montaje de esta unión sea fácilmente realizable. Es preciso que la separación interior entre los dos perfiles componentes del soporte sea lo suficientemente amplia. Puede ser conveniente colocar el par de presillas de cabeza en obra, después de montada la viga


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Normalmente los pilares se solapan o empalman en la parte superior de los forjados. Si por alguna razón no puede adoptarse esta solución, porque sea necesario que el pilar solape en la parte inferior del forjado, o dentro del mismo y, en ese caso, molesten las placas de cabeza y base, puede adoptarse la disposición que se indica en la siguiente figura que, en cierto modo es de más difícil realización. Esencialmente la diferencia consiste en que, en lugar de colocar placas de cabeza y de base, unimos ambos soportes mediante cartelas o chapas metálicas verticales, soldadas por la parte exterior de las alas de los perfiles UPN que conforman los pilares, para darle continuidad a los mismos. Si existe diferencia entre anchos de soportes, es necesario intercalar pletinas ara igualar dichas dimensiones, tal como se detalla a continuación.

También puede resolverse tal como se indica en la figura siguiente. Se efectúa el empalme de pilares, con placa de base y de cabeza, en la parte inferior del forjado. Esta solución conlleva el riesgo de que, al hormigónar el forjado, se hormigónen también parcialmente las placas de base, impidiendo la posterior colocación del pilar superior. Para evitarlo existen dos soluciones: colocar el pilar superior antes de hormigónar el


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forjado o bien proteger dichas placas para evitar que al hormigónar se queden recubiertas de hormigón.

Existe otra solución consistente en desdoblar el perfil de la jácena en dos equivalentes y pasar uno de ellos por cada lado del soporte, apoyados sobre casquillos (trozos de perfil metálico IPN), a modo de mésulas. Esta solución, que como las anteriores tampoco transmite momentos al soporte, tiene el inconveniente de que el rendimiento del material empleado es algo menor, lo que redunda en un coste algo más elevado. Tiene la ventaja, además de las constructivas, de reducir el canto de las jácenas, puesto que se colocan dos en vez de una sola. En la figura siguiente se detalla este tipo de unión, en alzado y en planta.


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También pueden solucionarse los nudos de vigas continuas con un perfil I que pase junto al soporte, por tino sólo de sus lados, en donde se resuelve el apoyo en él. Es quizás el sistema más sencillo, pero introduce en el soporte un momento flector igual al producto de la reacción por la distancia hasta el eje que, aunque es pequeño, deberá tenerse en cuenta al dimensionar el soporte. En la figura siguiente se materializa este tipo de apoyo. Posiblemente fuese conveniente colocar el soporte al revés, orientado con la máxima inercia hacia el lateral de apoyo de la jácena INP.

5.ESTRUCTURAS DE PÓRTICOS CON NUDOS RÍGIDOS. En este tipo de estructuras, los soportes y vigas que concurren en un punto forman un nudo rígido. Es decir, las tangentes a las directrices de las diversas piezas (soportes o vigas), mantienen ángulos invariables después de la deformación.

Este tipo de estructura, tiene la ventaja de que los pórticos pueden resistir los esfuerzos horizontales en la dirección de su plano y para grandes luces suele tener mejor rendimiento que sus equivalentes de nudos articulados o de vigas continuas.


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Cuenta con los inconvenientes de que tiene mayor repercusión la existencia de asientos diferenciales, y de que la ejecución y el montaje son mas caros que en los casos anteriores. A continuación se muestra el esquema de este tipo de estructuras.

Las vigas que llegan a un nudo, de cualquiera de los tipos existentes. siempre han de estar niveladas en su parte superior para facilitar el apoyo del forjado.

Nudo rígido. Las uniones rígidas con empotramiento perfecto sólo se pueden conseguir si los soportes tienen una gran inercia en relación con el la de la jácena (figura izquierda). En casos normales, una unión rígida va a introducir flexiones en los pilares (fig. centro), donde, para evitar esas deformaciones, harían falta pilares muy fuertes. Si la viga es


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muy importante, con relación al soporte, con sus esfuerzos de tracción y compresión puede producir deformaciones en las alas y alma del soporte (figura derecha).

Previamente al análisis y propuesta de soluciones a estos problemas vamos a efectuar un ligero recorrido sobre la forma de trabajo de las uniones, especialmente sobre su funcionamiento, transmisión de tensiones y deformaciones. En el nudo o apoyo rígido se suelda al pilar todo el perímetro de la viga, con lo cual se consiguen coartar los tres posibles movimientos de la viga:

• Impedir el desplazamiento horizontal en la dirección de la viga. • Impedir el desplazamiento vertical en la dirección del pilar. • Impedir el giro lateral de la viga (impedir el vuelco).

Los nudos rígidos o empotramientos penalizan al soporte, sometiéndolo a flexión, pero a su vez favorecen a la viga, que la "descargan" de flectores en su vano. En el empotramiento vemos que el ala superior tira del soporte y la inferior lo empuja (tracciones en la cara superior y compresiones en la cara inferior). Si las acciones son importantes y el espesor de las alas y el alma del soporte son pequeños, los esfuerzos de tracción y compresión que se producen en la unión pueden


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deformar el ala del soporte, tal como se indica en el dibujo adjunto, con lo cual el empotramiento no sería perfecto, puesto que la deformación del ala del soporte ha permitido un cierto giro a la jácena.

Para evitar esto, será necesario transmitir el tirón y el empuje de las al (tracción y compresión), mediante rigídizadores, al alma del soporte y al ala posterior, con lo cual los esfuerzos de tracción y de compresión, se reparten entre el ala anterior, el alma y el ala posterior del soporte, tal como se indica en el dibujo siguiente.

Los rigidizadores colocados en la figura anterior evitan que las alas se desplacen, que las alas se doblen hacia el interior (compresiones) o hacia el exterior (tracciones) y evitan el bombeo o abonamiento del alma. Podría quedar un matiz sin resolver. Si los esfuerzos de tracción y compresión que tiene que absorber el alma del pilar son importantes en relación con su espesor, esta podría deformarse en dicho nudo, tal como se indica en la figura siguiente; de forma que la diagonal a-e se acortase (convirtiéndose en a'-e) y la diagonal d-h se alargara (convirtiéndose en la d-h'). Debido al poco espesor del alma, la diagonal a´-e puede abollarse y se acorta.


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Esto se evita colocando rigidizadores en diagonal, a ambos lados del alma, en la dirección de los esfuerzos de compresión.

Las tracciones que puedan producirse en el nudo rígido no son problemáticas, pues el alma las absorberá sin ninguna dificultad. Es importante recordar que las soluciones aportadas anteriormente, no siempre son necesarias; dependen del tipo de jácena, pilar, cargas, unión, etc. Si el pilar es grande y la jácena es pequeña, no es necesario ningún rigidizador, puesto que las propias alas y alma del soporte son capaces de absorber los esfuerzos que le lleguen de la jácena.


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Si los esfuerzos son importantes es necesario colocar los rigidizadores o conectores de tracción y compresión. Y si son muy importantes conviene colocar también el conector de compresiones inclinado. Puede ocurrir que sea necesario rigidizar sólo las alas donde se unen el soporte y la jácena, no siendo necesario que la cartela abarque todo el pilar hasta unir ambas alas y alma. En ese caso puede ser suficiente con la colocación de cartelas triangulares, conectando el ala y el alma del soporte, tal como se detalla en el dibujo siguiente.

En los casos en que acometan dos vigas al soporte, una por cada lateral el sistema de rigidización de las alas-alma es similar: conectores de tracciones y de compresiones.


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La resistencia a cortante en la zona del alma del soporte comprendida entre las alas comprimida y traccionada de la viga suele ser suficiente. Si no así, deberá reforzarse el alma del soporte, bien mediante una pareja de rigidizadores en diagonal (uno por cada lateral del alma), o bien mediante una chapa de refuerzo, que a su vez aumenta la resistencia de las tres zonas del alma: tracción, compresión y cortante.


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En los nudos rígidos se suelda todo el contorno de la viga en su encuentro con el pilar pudiendo, además, existir angulares de apoyo, cartela de rigidización inferior, o bien cartela de rigidización inferior y superior. según el grado de empotramiento que queramos conseguir, tal como se detalla a continuación.

Las estructuras con nudos rígidos se utilizan poco en edificios para viviendas, por la dificultad de ejecución y por los problemas de asientos diferenciales. Excepcionalmente se utilizan en edificios, normalmente con mucha altura, en los cuales es imposible su estabilización, ante fuerzas horizontales, mediante el arriostramiento por triangulaciones. La principal dificultad que hay que resolver cuando se trata de realizar un nudo rígido, es la forma de transmitir las tensiones de tracción, debido a que por superponerse a las tensiones residuales de soldadura, pueden originarse roturas frágiles. En las siguientes figuras se desarrollan algunos sistemas de materializar en la práctica los nudos correspondientes. En dichas soluciones se busca, bien pasar un elemento continuo de chapa sin soldaduras en las zonas de momentos flectores negativos máximos, o bien reducir las tensiones de tracción aumentando mucho el canto. En el caso de que se trate de un nudo o encuentro con pilar de la serie I ó H, aparte de las cartelas de rigidización, debemos colocarle conectores de tracción en la parte


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superior (a nivel superior de la jácena) y conectores de compresión en la parte inferior, tal como se detalla en las figuras siguientes, para evitar que se doblen las alas del pilar.

Si la jácena IPN es del mismo canto en ambos lados del pilar, tendremos dos opciones: que se adopte la solución con un pilar pasante (pilar continuo) tal como vimos en el detalle anterior, ó bien con una viga pasante (viga continua y pilar cortado) como veremos más adelante. Si existe importante diferencia entre el canto de ambas jácenas, resolveremos el nudo colocando las cartelas de rigidización de distinto canto o altura, para poderlas unir por su parte inferior mediante el conector de compresión, evitando con ello que se puedan doblar las alas del pilar. En el detalle siguiente se ha materializado esta solución.


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Si la diferencia de canto entre ambas jácenas es pequeña, resolvemos el nudo colocando el conector de compresiones ligeramente inclinado, tal como se muestra a continuación.

Cuando los pilares no sean de la serie I ó H, no es necesario colocarle conectores de tracción, ni de compresión, puesto que no existe riesgo de que se doblen las alas de los mismos. En caso de necesitar que la viga sea continua, cortaremos el pilar y, posteriormente, le colocaremos las cartelas necesarias para reconstruirlo, del modo en que se describe a continuación.


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El procedimiento de ejecución de este nudo con viga pasante es el siguiente: • Cortamos el pilar. • Colocamos una cartela en la cabeza del mismo, del ancho necesario. • Colocamos la viga continua • Colocamos otra cartela en la parte superior de la viga, más ancha que el pilar. • Colocamos el pilar de la parte superior. • Entre las cartelas horizontales colocamos unas pletinas verticales que mantienen

la forma del pilar, dándole continuidad al mismo. • Una vez completada la ejecución y con toda la soldadura, el nudo está resulto y

el pilar reconstruido.

La viga es continua Si pilar fuese más estrecho que la viga, no haría falta colocar las dos cartelas horizontales (debajo y encima de la viga), ya que el pilar apoyaría directamente encima de la viga y se soldaría directamente a ella, reconstruyendo posteriormente el pilar cortado. 6.ESTRUCTURAS ESPECIALES. En ocasiones, las necesidades arquitectónicas o particulares requieren el uso de estructuras diferentes a las tradicionales, que las denominamos estructuras especiales. Un ejemplo de estas estructuras podría ser es del dibujo siguiente donde, por necesidades de uso, existe una planta baja sin pilares intermedios. Dichos pilar es pueden arrancar a nivel de la planta primera, desde encima de una gran jácena, o bien pueden quedar colgados de una gran jácena colocada en la parte alta del edificio o a nivel intermedio.

También es frecuente el caso de las estructuras de sótanos cuyas vigas, además de resistir la flexión propia de su función, deben transmitir la compresión que el empuje del terreno confiere a los muros laterales.


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7.ESTRUCTURAS ESPACIALES La repartición de esfuerzos es más favorable, lo que beneficia a la estabilidad y rigidez del conjunto. La disminución de esfuerzos normales y momentos flectores en las barras y la suspensión de elementos secundarios (correas, arriostramientos...) permite una reducción del peso. Las estructuras tridimensionales metálicas están constituidas, por lo general, por dos superficies de celosía de simple o doble curvatura, enlazadas por una triangulación espacial de barras. El elemento básico suele ser una pirámide de base cuadrada, un tetraedro, un prisma de base triangular, ... Y las barras empleadas son de perfiles laminados, preferentemente en forma de tubo, para la compresión y la torsión y todas las barras están cerradas por soldaduras continuas para proteger de la corrosión.


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Teniendo en cuenta su forma y su manera de resistir las fuerzas externas las estructuras espaciales se clasifican en :

• Emparrillados : son sistemas planos de vigas cruzadas en los que las cargas están

aplicadas de forma perpendicular al plano del sistema. Pueden ser bidireccionales, tridimensionales, ...

Lo normal es combinar el entramado de base cuadrada y base “cuadrada girada” :

Pero para cubrir grandes espacios se emplean de tres direcciones, combinando

los anteriores o cruzando las barras a 60º :


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• Láminas : son estructuras de simple o doble curvatura, pueden ser de base cuadrada o triangular.

• Cúpulas : son estructuras espaciales de doble curvatura. Pueden ser :

_Nervadas : formadas por arcos de celosía dispuestos radialmente, como arcos atirantados por un zuncho inferior.

_Cúpulas de celosía : formadas por una o varias capas de celosía y un nervio de borde. Como la “cúpula de paralelos” resuelta con estructura de base cuadrada, trapezoidal o triangular : _Otra de celosía es la “cúpula geodésica” con estructura Triangular de una o dos capas, donde las barras están curvadas y dispuestas según circunferencia máximas de la esfera :


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8.ESTABILIDAD HORIZONTAL. ARRIOSTRAMIENTOS. Los tipos estructurales a los que nos hemos referido en los apartados de estructuras totalmente isostáticas (articuladas) y estructuras con vigas continuas (pasantes), no son capaces de resistir esfuerzos horizontales. Si las uniones entre vigas y soportes fueran verdaderas rótulas, la estructura, más que tal, sería un mecanismo. En la realidad los enlaces pueden resistir pequeños momentos, pero son incapaces de asegurar la estabilidad del edificio, pudiendo deformarse tal como se indica en el dibujo siguiente.

Por consiguiente, es necesario introducir en dichas estructuras algunos elementos que puedan hacer frente a los empujes horizontales que producen el viento y los sismos, a los que denominamos arriostramientos. En caso de viento, éste actúa directamente sobre la fachada y, normalmente, ésta es capaz de transmitir la presión del viento a los diversos forjados. Los forjados, en su plano, son muy rígidos y pueden considerarse en la práctica como un sólido indeformable. Basta, por consiguiente, que estén enlazados a unos elementos verticales capaces de transmitir al terreno el empuje del viento, para conseguir la estabilidad horizontal del edificio. Estos elementos verticales de arriostramiento pueden ser, fundamentalmente, de tres tipos:

• Jácenas trianguladas metálicas, con una o dos diagonales. • Pórticos de nudos rígidos. • Pantallas de hormigón.

Cuando se utilizan las jácenas trianguladas ó las pantallas de hormigón. se presenta el problema de encontrar una parte de la estructura en la que la colocación de los mismos no perturbe la función del edificio. Suelen elegirse, por tanto, para su ubicación, lugares tales como los muros de las cajas de ascensores o escaleras, los paños ciegos de fachada, las divisiones de propiedad, las medianeras, etc.


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El arriostramiento vertical en Cruz de San Andrés es el más utilizado, por su sencillez y facilidad de ejecución. Sin embargo, con el fin de que las diagonales cruzadas no atraviesen los huecos de puertas y ventanas, se recurre a otros arriostramientos, en los cuales las diagonales son quebradas, buscando siempre la línea más próxima a la línea recta, Y cruces intermedios, tal como se ve en las siguientes figuras.


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Deben hacerse hipótesis de empuje horizontal en dos direcciones ortogonales, siendo habitual que haya dos jácenas en cada una de las dos direcciones predominantes del edificio, o de las partes del mismo entre juntas de dilatación. Como se ha dicho anteriormente, los forjados suelen ser elementos lo suficientemente rígidos, en su plano, como para poder transferir el empuje del viento, que reciben de las fachadas, a los arriostrados o jácenas contraviento situadas en planos verticales. El arriostramiento vertical contra viento, funciona de forma similar a una viga de celosía colocada en posición vertical. Esas "jácenas contra viento" están constituidas, en su forma más general, por tres clases de elementos diferentes:

• Las "cabezas" (c), que son los soportes de la estructura. • Los "montantes" (m), que suelen ser las jácenas/vigas del propio forjado. • Las "diagonales" (d), que suelen ser los arriostramientos.

Haciendo un símil con las vigas de celosía, que estudiaremos con profundidad mas adelante, la nomenclatura empleada para la misma es:

Al colocar vertical dicha viga, tendríamos el arriostramiento contraviento indicado. Para el cálculo de los soportes es necesario añadir, a los propios esfuerzos del edificio, los esfuerzos que se produzcan por efecto del viento. Los montantes deben calcularse teniendo en cuenta que puede existir, además de la compresión o tracción que le induce el efecto del viento, la flexión propia que, como jácenas de la estructura le pueda corresponder. Debe observarse que el pandeo, de dichas montantes (jácenas), en el plano horizontal quedará, generalmente, impedido por el forjado que apoye sobre ellas. Las formas más usuales para las secciones de cabeza son las que se utilizan en soportes. Las diagonales, cuando se disponen en cruz de San Andrés, pueden calcularse suponiendo que sólo actúa la que está solicitada a tracción. En esta hipótesis pueden admitirse esbelteces mayores que en compresión y, por consiguiente, elementos más planos que ocupan menos espacio en sentido horizontal. La opción ideal es que el arriostramiento contra viento se coloque verticalmente en toda la altura del edificio, sin desplazamientos. Sin embargo, en ocasiones pueden existir dificultades con respecto a los lugares de ubicación de las jácenas contraviento, ante la imposibilidad de darle continuidad en todo el alto del edificio. El dibujo siguiente muestra un caso diferente, que puede ayudamos para fijar criterios con relación a la ubicación de las mismas.


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Supóngase que el entramado de la figura siguiente (de la derecha) forma parte de la estructura de un edificio, y que desde la planta primera a la cubierta, la zona entre los soportes 3 y 4 es perfectamente utilizable para colocar la jácena contraviento; pero en cambio es absolutamente imprescindible que el espacio entre dichos soportes 3 y 4 sea diáfano, en planta baja, pudiéndose en su lugar utilizar los planos entre soportes 1-2 y 5-6.

Las tres jácenas verticales y la jácena horizontal que se indican en la figura anteriormente citada, pueden resolver el problema muy económicamente. En la perspectiva siguiente puede observarse con mayor detalle la ubicación de los arriostramientos, así como sus uniones a la estructura.


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En las figuras siguientes, se dan dos tipos diferentes de jácenas contraviento:

En las perspectivas insertadas a continuación pueden observarse distintos tipos de arriostramientos, así como su ubicación en la estructura.

• Estructuras arriostradas con Cruces de San Andrés. • Estructuras con muros cruzados. • Estructuras con núcleo central reforzado. • estructuras con núcleo y cerramiento reforzado. • Estructuras con pórticos de rigidez en las 4 fachadas. • Estructuras con núcleo lateral reforzado. • Estructuras con uniones rígidas de hormigón. • Estructuras con muros de rigidez cruzados y en caja de escalera. • Estructuras con Cruces de San Andrés en zonas centrales. • Estructuras con cerramientos rígidos. • Estructuras con núcleo central y tubo exterior porticado. • Estructuras con tubo exterior porticado. • Estructuras con nudos rígidos y núcleo escalera rígido. • Estructuras con exterior arriostrado y escalera rígida. • Estructuras con arriostramiento exterior por fuera del edificio.


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distribución modulada de pilares y vigas . disposición de pórticos de rigidez

edificios de altura. Núcleos de rigidez.


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Edificios altos. Tubo porticado y núcleo central (tubo de tubo)

Edificios altos. Tubo perimetral porticado.


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Edificios altos. Grandes celosías incorporadas a las fachadas


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9.JUNTAS DE DILATACIÓN EN ESTRUCTI RAS METÁLICAS. Las juntas son las divisiones estudiadas de las estructuras para evitar fisuraciones por asiento.. por retracción y por dilatación. Las juntas pueden realizarse de varias formas: 1.- Cuando la dirección del forjado sea paralela a la de la junta. pueden hacerse. bien duplicando los soportes o bien disponiendo las jácenas con apoyos deslizantes, tal como se detalla a continuación.


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En las perspectivas siguientes se muestran las dos soluciones para efectuar la junta de dilatación con el forjado paralelo a la misma JUNTA DE DILATACION EN FORJADO PARALELO A LA JUNTA

2.- Cuando la dirección del forjado sea perpendicular a la de la junta podrán resolverse duplicando las jácenas y disponiendo una de ellas con apoyo deslizante. o bien disponiendo los forjados con apoyos deslizantes.

• Duplicando soportes y duplicando jácenas. El sistema es muy bueno pero resulta caro.

• Con un sólo soporte y duplicando jácenas y disponiendo apoyo deslizante del forjado sobre una de ellas. Es un buen sistema

• Con un sólo soporte y una sola jácena: disponemos el forjado de uno de los laterales con apoyo deslizante y en el otro con apoyo fijo. Este sistema funciona bien. pero tiene el inconveniente de que la junta no podrá ser completamente recta


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En los apartados b) y c) es importante tener en cuenta que. en la zona de forjado que hayamos elegido como apoyado en dilatación, los zunchos perimetrales tendrán que unirse igualmente en dilatación con el pilar. siendo conveniente establecer un límite de dilatación, para lo cual utilizaremos cualquiera de los sistemas de dilatación controlada En la perspectiva insertada al final de este apartado se refleja esta unión en dilatación del zuncho de borde con el pilar. Los apoyos deslizantes pueden realizarse con placas de material plastomerico (plomo) o elastomérico ( caucho. cloropreno). Cuando se trate de naves o edificios industriales, se siguen los mismos criterios citados. A continuación se detallan esquemáticamente las 3 opciones indicadas anteriormente.


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En las siguientes perspectivas podemos observar los tres sistemas de ejecución de una junta de dilatación, cuando el forjado es perpendicular a la misma.


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10.PRESCRIPCIONES PARA ESTRUC ITRAS METÁLICAS FRENTE AL SISMO. La Instrucción de Acero Estructural EAE, en su artículo 49 hace referencia al proyecto y ejecución de estructuras metálicas frente al sismo. En la edificación es frecuente el empleo de configuraciones estructurales isostáticas (uniones simples entre vigas y pilares, rigidizadas por núcleos o pantallas de hormigón armado. Aunque, convencionalmente, la estructura del edificio se defina como metálica. la parte resistente ante acciones horizontales es una estructura de hormigón armado y debe ser comprobada mediante la correspondiente Instrucción. La única comprobación requerida para la estructura metálica es, en estos casos, la relativa a la capacidad de deformación, que vendrá dada por la capacidad de giro de las uniones. Idéntica comprobación se requiere en los elementos no proyectados como resistentes, cuya misión es el arriostramiento estructural ante las acciones horizontales. En la figura a (izquierda) el arriostramiento se ha confiado a la pantalla o núcleo de hormigón armado. mientras que en la figura b (derecha) el arriostramiento se resuelve con perfilaría metálica colocada en diagonal, en forma de Cruces de San Andrés.

En las juntas de dilatación, en edificios situados en zona sísmica, debe dimensionarse el ancho de la junta de acuerdo a la norma NCSE-02, para evitar choques entre bloques colindantes. Los únicos tipos de pórticos admisibles en estructuras situadas en zonas sísmicas son rígidos y arriostrados. No se admiten los pórticos semi-rígidos, duales o mixtos, que combinen las rigideces de sistemas resistentes diferentes. En el caso de los pórticos arriostrados se adoptarán las medidas constructivas necesarias para que los elementos de la triangulación no soporten las cargas permanentes. La unión entre tramos sucesivos de pilares conviene situarla en una altura intermedia entre las plantas, para alejarla de los nudos. En las figuras siguientes se representan los sistemas de arriostramiento para edificios con estructura metálica situados en zonas sísmicas. La elección del más adecuado depende del grado sísmico y de las posibilidades de su utilización, en función de las necesidades constructivas.


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11. DEFORMABILIDAD. ESBELTEZ, PANDEO.

Pueden darse problemas de inestabilidad en las vigas, estos efectos pueden ser :

1.- Pandeo del alma :

En los apoyos de vigas sobre muros o pilares se produce una concentración de cargas y también con una carga aislada, pudiendo pandear lateralmente el alma, para evitarlo se ponen rigidizadores.

2.- Abolladura del alma : Se produce por las tensiones de compresión en cualquier punto de la viga. Si no son suficientes los rigidizadores transversales, se dispondrán también longitudinales en la zona comprimida :


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3.- Pandeo de ala : Cuando existe mucha carga concentrada puede pandear también el ala que está comprimida. Para evitarlo se dispondrán, entre dos rigidizadores sucesivos, refuerzos triangulares o de escuadría, también deben ponerse en los apoyos de una viga en otra de mayor altura :


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12.RESISTENCIA ANTE EL FUEGO. A partir de 300º la resistencia del hierro disminuye rápidamente, quedando

reducida a la mitad a 500º y a esto unimos las dilataciones que se producen. Como protección al fuego, de las estructuras metálicas, se emplean

revestimientos con materiales refractarios que impiden que las llamas se pongan en contacto con el hierro, también evita el enfriamiento brusco del agua de extinción.

Los revestimientos pueden ser inflamables que son los que no pierden su resistencia e impiden la propagación del fuego durante un tiempo de una hora y media a tres horas o retardatorios que ofrecen una resistencia al fuego mínima de media hora.

Revestimiento de hormigón: Es el material más utilizado o bien vertiéndolo en un encofrado o bien rodeando el elemento metálico con tela metálica y extendiendo una capa de hormigón de al menos 6 cm.

Otros procedimientos : pueden utilizarse como revestimiento : ladrillos refractarios, asbestos, mortero de cemento o yeso mezclado con borra sobre tela metálica.

13.CORROSION. PROTECCION. La formación de herrumbre en las estructuras metálicas puede dar lugar a la

destrucción. La herrumbre es resultado de la acción combinada del aire y del agua contenidos en la atmósfera, que en contacto con el hierro, da lugar a hidrato férrico.

La corrosión no se distribuye uniforme sobre la superficie del hierro, ya que es un proceso electroquímico.

Para preservar el hierro de la oxidación deberemos recubrirlo de una capa protectora. Este revestimiento puede ser de diversos materiales pero, para que sea eficaz, será indispensable :

• Limpieza de las superficies a revestir, eliminando la suciedad y manchas de orín con cepillos de alambre o chorro de arena.

• Revestimiento de las superficies. Los más corrientes : Pintura. Es el más empleado; una vez limpia la superficie, se da minio de plomo y luego esmalte. Revestimiento de cemento. Se utiliza en elementos constructivos que van a quedar ocultos. Se dan varias capas de cemento Pórtland, espaciadamente, para que se sequen. Metalización. Para elementos no estructurales. El más empleado es el zinc (torres de alta tensión), para cubiertas de fábricas de productos químicos se emplean chapas emplomadas y el menos empleado es el estaño.


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BIBLIOGRAFIA

Construcción de estructuras metálicas Pascual Urbán Brotons Editorial club universitario. Neufert, arte de proyectar en arquitectura Peter Neufert Editorial GG

leccion nº 38 - 3d studios p.l.r

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