qué es un sistema estructural

7/28/2019 Qu es un sistema estructural

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Qu es un sistema estructural?Es un ensamblaje de miembros o elementos independientes para conformar un cuerpo nico ycuyo objetivo es darle solucin (cargas y forma) a un problema civil determinado.La manera de ensamblaje y el tipo de miembro ensamblado definen el comportamiento final dela estructura y constituyen diferentes sistemas estructurales.En algunos casos los elementos no se distinguen como individuales sino que la estructuraconstituye en si un sistema continuo como es el caso de domos, losas continuas o macizas ymuros, y se analizan siguiendo los conceptos y principios bsicos de la mecnica.

El sistema estructural constituye el soporte bsico, el armazn o esqueleto de la estructuratotal y l transmite las fuerzas actuantes a sus apoyos de tal manera que se garanticeseguridad, funcionalidad y economa.En una estructura se combinan y se juega con tres aspectos:

FORMA MATERIALES Y DIMENSIONES DE ELEMENTOS CARGAS

los cuales determinan la funcionalidad, economa y esttica de la solucin propuesta.

INGENIERA ESTRUCTURAL

Es el arte de idealizar materiales a los cuales no se les conoce bien sus propiedades, paraconstruir formas que no sabemos analizar, de tal manera que soporten cargas que ignoramos ysin embargo se comporten satisfactoriamente (todo esto sin que la gente se de cuenta) (autordesconocido).

Ingeniera estructural es la aplicacin de los conocimientos de la Mecnica, ciencia que estudia lasfuerzas y sus efectos, al arte de disear estructuras.

En el anlisis estructural conjugamos conocimientos de ciencias bsicas aplicadas al arte de laingeniera para encontrar fuerzas y deformaciones en una estructura.

El ingeniero estructural se encarga del arreglo y dimensionamiento de las estructuras y suspartes, de tal manera que soporten satisfactoriamente las cargas colocadas sobre ellas.

Pueden servir de ayuda a otros ingenieros en proyectos especiales.

El ingeniero por medio de los conocimientos, fsicos y matemticos, crea modelos, a los queaplica ecuaciones y puede por lo tanto planear, conocer y rectificar una estructura antes de serconstruida.

Aunque la ingeniera estructural no es una ciencia, ella posee un mtodo propio. Este mtodo nospermite analizar y disear estructuras de una manera estndar en cualquier parte del mundo. Solounos pocos mas adelantados estaran innovando y creando nuevos mtodos mas simplificados.

Objetivo GeneralIdentificar, estudiar alternativas, seleccionar, analizar y verificar resultados de la solucinestructural a un problema ingenieril, teniendo presentes los criterios de funcionalidad,

economa y seguridad.En el diseo estructural completo se distinguen dos etapas: anlisis y diseo.

Objetivo del AnlisisDeterminar fuerzas internas (axiales, cortantes, momentos) y deformaciones de una estructura,sobre la base de: una forma dada de la estructura, del tamao y propiedades del materialusado en los elementos y de las cargas aplicadas.

Objetivo del Diseo


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Seleccin de la forma, de los materiales y detallado (dimensiones, conexiones y refuerzo) delos componentes que conforman el sistema estructural.

Ambas etapas son inseparables, parecera que se empieza por el diseo, ya que es en estaetapa donde se crea y luego se analiza, pero las cosas no terminan ah, se requiere verificarque las fuerzas encontradas en el anlisis, si son soportadas y resistidas con los materiales ydimensiones seleccionadas, por lo tanto volveramos al diseo, es decir, el proceso es iterativo.

3. ETAPAS DE DESARROLLO DE UN PROYECTO

Planeacin: Se identifica el problema a solucionar y se presentan alternativas generalesde solucin

Diseo preliminar: General Evaluacin de alternativas: Diferentes sistemas estructurales, diferentes geometras y

diferentes materiales. Anlisis: fuerzas y deformaciones

evaluacin de cargas o fuerzas actuantes modelacin, real y abstracta resolucin del modelo: fuerzas internas, de conexiones o uniones.

Diseo: detallado y dimensionamiento de los elementos para que resistan las fuerzasactuantes.

Construccin: Llevar a cabo la materializacin fsica de lo planeado

El ingeniero Estructural participa en todas las etapas pero es responsable directo de la evaluacinde alternativas, el anlisis y el diseo.(Ver numeral A.1.3 de las Normas Colombianas de diseo y construccin sismorresistente)

4. PRINCIPIOS DEL DISEO ESTRUCTURAL

SEGURIDAD, FUNCIONALIDAD Y ECONOMAUna estructura se disea para que no falle durante su vida til. Se reconoce que una estructurafalla cuando deja de cumplir su funcin de manera adecuada.Las formas de falla pueden ser: falla de servicio o falla por rotura o inestabilidad.La falla de servicio es cuando la estructura sale de uso por deformaciones excesivas ya seanelsticas o permanentes.La falla por rotura (resistencia) o inestabilidad se da cuando hay movimiento o separacin entre laspartes de la estructura, ya sea por mal ensamblaje, malos apoyos o rompimiento del material.


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SEGURIDAD: La seguridad se determina controlando las deformaciones excesivas que obligan aque salga de servicio o el rompimiento o separacin de alguna de sus partes o de todo el conjunto.Una de las condiciones de seguridad, la estabilidad, se puede comprobar por medio de las leyesde equilibrio de Newton. En el caso particular de fuerzas estticas la ecuaciones generales del

equilibrio son: , las cuales deben ser satisfechas por la estructura engeneral y por cada una de sus partes.El principio de accin y reaccin es uno de los conceptos bsicos de uso general en lasestructuras, encontrar fuerzas actuantes y fuerzas resistentes hace parte del diario de la ingenieraestructural. Este principio dice: para toda fuerza actuante debe haber algo que produzca unareaccin que contrarreste el efecto o en otras palabras para una fuerza actuante existe unareaccin de igual magnitud, direccin pero sentido contrario.La condicin de seguridad de resistencia a la rotura de los elementos que la componen y de lasuniones entre estos, depende de las propiedades mecnicas de los materiales utilizados.

FUNCIONALIDAD: La estructura debe mantenerse en funcionamiento durante su vida til para lascargas de solicitacin. Un puente que presenta deformaciones excesivas dara la sensacin deinseguridad y la gente dejara de usarlo, en ese momento deja de ser funcional.

ECONOMA: El aprovechamiento de los recursos determina un reto para el diseo estructural. En

la economa se conjuga la creatividad del ingeniero con su conocimiento.

5. TIPOS DE ESTRUCTURASSe reconocen dos tipos de estructuras: reticulares (frame) y estructuras tipo placa o cascaron(Shell).Estructuras reticulares: Se componen por barras rectas o curvas unidos en sus extremos porpasadores o soldadura.Placa o cascarn: Se construye de losas continuas curvas o planas con apoyos por lo general enforma continua en sus bordes.

Anlisis de un edificio en estructura reticular de prticos utilizando un programa comercial deanlisis. Estructura deformada.


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Anlisis de una estructura con elementos placa o cascarn. En este caso estn constituidos por losmuros de la vivienda y se realiza por medio de elementos finitos.

6. ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS COMUNES

6.1 Elemento tipo Cable: No posee rigidez para soportar esfuerzos de flexin, compresin ocortantes. Al someter a cargas a un cable este cambia su geometra de tal manera que lascargas son soportadas por esfuerzos de traccin a lo largo del elemento. Siempreencontraremos que cuando aplicamos una fuerza el cable tendr otra geometra.

Un cable bajo su propio peso adquiere la forma del diagrama de momentos de tal manera queal encontrar las fuerzas internas en cualquiera de sus puntos el valor del momento sea cero ysolo presente componente de traccin.

Un cable bajo carga puntual se deforma de tal manera que el momento interno en todo eltramo sea igual a cero. Los cables no tienen rigidez a flexin.Es un elemento con poca I (inercia) y poca A transversal (rea) pero con una gran resistencia ala traccin.


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6.2 Elemento tipo Columna: Es un elemento con dos dimensiones pequeas comparadas con latercera dimensin. Las cargas principales actan paralelas al eje del elemento y por lo tantotrabaja principalmente a compresin. Tambin puede verse sometido a esfuerzos combinados

de compresin y flexin.

6.3 Elemento tipo viga: Es un elemento que tiene dos de sus dimensiones mucho menores quela otra y recibe cargas en el sentido perpendicular a la dimensin mayor. Estas caractersticasgeomtricas y de carga hacen que el elemento principalmente est sometido a esfuerzos internosde flexin y de cortante. Es un elemento que debe tener la suficiente I (inercia transversal) y A(rea transversal) para soportar estos tipos de esfuerzos. Recordemos que los esfuerzos de flexin

dependen directamente de la inercia de la seccin ( ) y los de cortante indirectamente del

rea ( donde Q , es el primer momento del rea).


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6.4 Elementos tipo Arco: Se comporta o es similar a un cable invertido aunque posee rigidez yresistencia a flexin. Esta caracterstica lo hace conservar su forma ante cargas distribuidas ypuntuales. Debido a su forma los esfuerzos de compresin son mucho mas significativos quelos de flexin y corte.

Sus esfuerzos principales son compresin y esto permite que su seccin transversal seapequea relacionada con la luz o claro entre sus apoyos. En el caso de cargas asimtricas elesfuerzo de flexin empieza a ser notable y el arco debe tornarse mas grueso.

6.5 Elementos tipo Cercha: Es un elemento cuya rea transversal es pequea comparada con su

longitud y est sometido a cargas netamente axiales aplicadas en sus extremos. Por sugeometra y tipo de cargas actuantes soporta solamente fuerzas de traccin y de compresin.Su comportamiento netamente axial exige que sus conexiones a otros elementos o soportessean rotulas sin rozamiento. Sin embargo en la practica se construyen uniones rgidas queobligan a mantener la geometra de la seccin y la posicin de los nudos. Esto hace que laspequeas deformaciones de alargamiento o acortamiento de los elementos por sus tensionesaxiales, no se disipen en deformaciones de los nudos y producen entonces esfuerzos deflexin en los elementos.Estos esfuerzos de flexin son muy pequeos comparados con sus grandes fuerzas axiales yno se tienen en cuenta en su anlisis y diseo.

6.6 Elementos tipo cascaron: Pueden ser flexibles, en este caso se denominan membranas, o

rgidos y se denominan placas.Membrana: no soporta esfuerzos de flexin, es como si fueran cables pegados. Trabaja portraccin netamente


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Cascaron o placa: tiene rigidez a flexin es decir trabaja principalmente por compresin,pero se asocia con esfuerzos cortantes y flectores mnimos.

6.7 Elementos tipo muro: Estos elementos se caracterizan por tener dos de sus dimensionesmucho mas grandes que la tercera dimensin y porque las cargas actuantes son paralelas alas dimensiones grandes. Debido a estas condiciones de geometra y carga, el elementotrabaja principalmente a cortante por fuerzas en su propio plano. Adicionalmente a esta granrigidez a corte los muros tambin son aptos para soportar cargas axiales siempre y cuando no

se pandeen.

7. PRINCIPALES SISTEMAS ESTRUCTURALES

CerchasArmaduras planas y espacialesMarcos o prticos planos y espacialesSistemas combinados o dualesSistemas de murosSistemas de pisoSistemas continuos

CERCHAS: Este sistema combina elementos tipo cercha donde la disposicin de los elementosdetermina la estabilidad. Pueden ser planas y espaciales


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ARMADURAS: En este sistema se combinan elementos tipo cercha con elementos tipo viga ocolumna unidos por articulaciones.

MARCOS O PRTICOS: Este sistema conjuga elementos tipo viga y columna. Su estabilidad estdeterminada por la capacidad de soportar momentos en sus uniones. Pueden ser planos yespaciales

SISTEMAS DE PISOS: Consiste en una estructura plana conformada por la unin varios

elementos (cscara, viga, cercha) de tal manera que soporte cargas perpendiculares a su plano.Se clasifican por la forma en que transmiten la carga a los apoyos en bidireccionales yunidireccionales.

SISTEMAS DE MUROS: Es un sistema construido por la unin de muros en direccionesperpendiculares y presenta gran rigidez lateral. Este sistema es uno de los mas usados enedificaciones en zonas ssmicas.


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DOMOS, CILOS Y TANQUES

SISTEMAS COMBINADOS PARA EDIFICACIONES: Se aprovechan las cualidades estructuralesde los elementos tipo muro con las cualidades arquitectnicas de los sistemas de prticos. Las

caractersticas de rigidez lateral tambin se pueden lograr por medio de riostras que trabajan comoelementos tipo cercha.( ver figura).

SISTEMAS MASIVOS: Presas o elementos en 3 dimensiones

8. MATERIALESEl tipo de material usado en la estructura define la resistencia, la flexibilidad, la durabilidad ymuchas otras caractersticas de la estructura. Entre los materiales mas comunes estn elhormign, acero, madera, piedra, unidades de arcilla cocida, plstico, etc. Como se mencionaba alprincipio en la definicin de ingeniera estructural, el avance en el conocimiento de las propiedadesde los materiales nos permite que nuestro anlisis se acerque mas a la realidad.Es parte de nuestra labor seleccionar adecuadamente los materiales para lograr que nuestraestructura sea segura, econmica y factible. Tengamos en cuenta que el seleccionar presuponeun buen conocimiento de las propiedades mecnicas del material elegido.

9. PRINCIPIO DE SUPERPOSICINLa respuesta de una estructura debida a un numero de cargas aplicadas simultneamente es lasuma de las respuestas de las cargas individuales, aplicando por separado cada una de ellas a laestructura; siempre y cuando para todas las cargas aplicadas y para la suma total de ellas losdesplazamientos y esfuerzos sean proporcionales a ellas.Esto implica que para aplicar el principio de superposicin necesitamos trabajar con materialeselsticos, que cumplan la ley de Hooke. Si la estructura a analizar cumple con estos requisitospodemos usar la teora elstica en su estudio.


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Qu otras teoras existen para analizar estructuras que no cumplan con una relacin lineal deesfuerzos desplazamientos?

Grfica fuerza vs deformacin para un elemento constituido con un material perfectamente elstico

Cuando se habla de respuesta se refiere a los desplazamientos y a las fuerzas internas.Por el principio de superposicin podemos expresar los efectos totales como la suma de efectos de

cargas parciales:

10. MODELADO DE LA ESTRUCTURA

El modelado es la abstraccin de lo real al papel de tal manera que me permita analizarlo ydisearlo.En el modelado se debe tener bastante cuidado para que la representacin del sistema sea lo masparecido a la realidad; la ubicacin y determinacin de los apoyos, la seleccin del tipo de

elemento, la combinacin de estos y sus uniones juegan un papel primordial en esta etapa.En este curso trabajaremos principalmente con estructuras reticulares, aquellas cuyos elementostienen una de sus dimensiones mucho mas grande que las otras dos. El modelado de este tipo deestructuras se hace por medio de lneas que representan el eje centroidal de la seccin de loselementos.


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Diagrama de lneas que representa la estructura.

10.1 TIPOS DE APOYOS Y CONEXIONES

Parte del modelado van en la representacin de los soportes o apoyos, estos nos proporcionanestabilidad impidiendo el movimiento.Los tipos de apoyo se clasifican por la cantidad de grados de libertad que restrinjan. Van desde losms simples que restringen un solo grado de libertad hasta los ms complejos que restrinjan seisgrados de libertad en el espacio.Los ms simples son rodillos, superficies lisas, uniones con cables, apoyos basculantes, etc.

Al segundo tipo, aquellos que restringen dos grados de libertad, pertenecen las articulaciones, las

superficies rugosas, las rotulas, etc.Al tercer tipo y ltimo en estructuras planas pertenecen los empotramientos.

APOYOS ELSTICOS

Se considera como un resorte donde la fuerza de reaccin es proporcional a la deformacin linealo angular del apoyo. Entre estos tipos podemos considerar las zapatas sobre un lecho elsticoconstituido por el suelo de fundacin.

FOTOS SOBRE TIPOS DE APOYOS O CONEXIONES ENTRE ELEMENTOS

CONEXIN ARTICULADA


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ARTICULACIN PLANA. PERMITE ROTACIN EN UN SOLO SENTIDO.

ARTICULACIN EN EL ESPACIO. PERMITE ROTACIN COMPLETA.

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