SISTEMAS ESTRUCTURALES UNIVERSIDAD POLITECNICA

SANTIAGO MARIÑO FACULTAD DE ARQUITECTURA

EXTENSIÓN BARINAS

PROYECTO DE ESTRUCTURA

T.SU Cesar Medina C.I.15.917.055

DEFINICIÓN

Son las estructuras compuestas de varios miembros, que soportan las edificaciones y tienen además la función de soportar las cargas que actúan sobre ellas transmitiéndolas al suelo.

CARACTERISTICAS

• Funciones estructurales específicas como:

resistencia a la compresión o tensión, para cubrir claros horizontales o verticales, etc.

• Forma geométrica u orientación. • Materiales de los elementos. • Forma de unión de los elementos. • Forma de apoyo de la estructura. • Cargas o fuerzas que soporte la estructura. • Condiciones de uso, función, forma y escala. • Limitaciones de forma y escala.

TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES

• Estructuras de Acero • Estructuras de Hormigón armado • Estructuras de Madera

ESTRUCTURA DE ACERO

Son elementos prefabricados y se llevan a la obra listas para ser colocadas. En comparación con otros sistemas estructurales, este es más económico debido al ahorro del tiempo de ejecución. La unión de los elementos entre sí, se hace remachada, soldada, o con pernos.

Ventajas • Las estructuras pueden hacerse de

sección menor que con otros materiales, pues el material es homogéneo y muy resistente.

Desventajas • Deben protegerse de la corrosión con

pinturas especiales o recubrimiento de hormigón.

• Son peligrosas en caso de incendio, pues tienden a deformarse por el calor.

ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO

Los miembros del hormigón armado están constituidos por hormigón y barras de acero (cabillas) que son el refuerzo. Su función principal es resistir esfuerzos de compresión, y la del refuerzo, soportar fuerzas de tracción, pero ambos materiales trabajan como una unidad.

Ventajas

• Su plasticidad, que permite su adaptación a infinidad de formas mediante el empleo para la fundición, de moldes y encofrados.

• Resistencia al fuego (comienza a destruirse a partir de los 600° C.

• Durabilidad: su calidad mejora con el tiempo. • Costo de mantenimiento mínimo. • Es un material bastante impermeable.

Desventajas • Material muy pesado (2400 kg/m³) • Control de la calidad complejo. • Tiempo para obtener su resistencia útil (unos 28 días). • Técnica compleja (esmerada ejecución, encofrado, fundición, curado y desencofrado).

ESTRUCTURA DE MADERA

En esta, los elementos estructurales se fabrican de madera. Requiere gran habilidad para lograr sus uniones, ensambles y conexiones, según el tipo de madera usado, así como una gran precisión para el montaje (ver imagen principal). El montaje de estas estructuras es bastante rápido, pues no se necesitan grandes equipos de izaje por lo liviano del conjunto. Se emplean en naves industriales y en otras construcciones que tengan un destino provisional.

Ventajas • Ligereza • Economía • Facilidad de elaboración e instalación

Desventajas

• Combustibilidad • Mantenimiento • Vulnerabilidad a elementos naturales

PERFILES METÁLICOS ESTRUCTURALES

Los perfiles metálicos son aquellos productos laminados, fabricados usualmente para su empleo en estructuras de edificación, o de obra civil.

Tipos más comunes 1. Perfil HEB: Es un perfil muy usado en construcción, se utiliza para columnas, pilotes, vigas, refuerzo y otros usos de gran resistencia. 2. Perfil tipo U o Canal El perfil tipo U o canal como su nombre lo indica es en forma de canal o C, se utiliza para vigas y columnas que se unen y sueldan, en usos de rendimiento medio. 3. Perfil angular o ángulos Puede ser de lados iguales o desiguales, se utiliza en dinteles, columnas, vigas de rendimiento, estructuras secundarias.

Tipos más comunes 4. Tubo de Acero circular La tubería hueca circular de acero se utiliza preferiblemente para columnas. 5. Tubo de acero cuadrado sección hueca Estas secciones cuadradas o rectangulares se utilizan con mayor frecuencia como columnas, pero también puede ser utilizado como vigas, abrazaderas y en otros usos. 6. Perfiles de Corte Normalmente son las secciones de ala ancha de un perfil HEB o IPE, que se cortan por la mitad para formar una sección “T”. Se utiliza para dinteles, vigas, tirantes y columnas

Comportamiento

Estas estructuras cumplen con los mismos condicionantes que las estructuras de hormigón, es decir, que deben estar diseñadas para resistir acciones verticales y horizontales. En el caso de estructuras de nudos rígidos, situación no muy frecuente, las soluciones generales a fin de resistir las cargas horizontales, serán las mismas que para Estructuras de Hormigón Armado. Pero si se trata de estructuras articuladas, tal el caso normal en estructuras metálicas, se hace necesario rigidizar la estructura a través de triangulaciones (llamadas cruces de San Andrés), o

empleando pantallas adicionales de hormigón armado.

Uso y ventajas

• Construcciones a realizar en tiempos reducidos de ejecución.

• Construcciones en zonas muy congestionadas como centros urbanos o industriales en los que se prevean accesos y acopios dificultosos.

• Edificios con probabilidad de crecimiento y cambios de función o de cargas.

• Edificios en terrenos deficientes donde son previsibles asientos diferenciales apreciables; en estos casos se prefiere los entramados con nudos articulados.

• Construcciones donde existen grandes espacios libres, por ejemplo: locales públicos, salones.

Ejemplos en Construcción

CERCHAS Es uno de los principales tipos de estructuras empleadas en ingeniería. Una cercha, puede definirse como una estructura compuesta de un número de elementos o barras unidos en sus extremos por medio de pasadores sin fricción para formar una armazón rígida. Las fuerzas externas y reacciones se supone que están en el mismo plano de la estructura y actúan solamente sobre los nodos, en consecuencia pueden considerarse como una estructura bidimensional. Todas las cargas deben aplicarse en las uniones y no en los elementos, las fuerzas que actúan en cada extremo de una barra se reducen a una fuerza axial (tracción o compresión).

Tipos de cerchas • Howe: Compuesta por montantes verticales.

Las diagonales se unen en sus extremos donde coincide un montante con el cordón superior o inferior. con la disposición Howe se minimizaba su longitud. Puede cubrir luces de hasta 27 ó 30 m.

• Warren: Si se utiliza en gran escala, ofrece la ventaja de que proporciona un máximo de espacio abierto libre para la inclusión de los elementos de servicio. Se caracteriza porque forma una serie de triángulos isósceles, de manera que todas las diagonales tienen la misma longitud. Puede cubrir luces de hasta 90 m y más.

• Pratt: Las barras están inclinadas en sentido contrario, de manera que las diagonales están sometidas a tensión, mientras que las barras verticales están comprimidas.

Comportamiento

Esquema de comportamiento

Considérese ahora la estructura obtenida por un cable que sostiene un peso P, volcando hacia arriba el cable y reforzando sus tramos rectos con el fin de conferirles resistencia a la compresión. La "flecha negativa" o elevación modifica la dirección de todas las tensiones y el cable invertido se convierte entonces en una estructura de compresión pura: es el ejemplo más simple de armadura. Las barras comprimidas transmiten a los soportes la carga aplicada en la parte superior de la armadura, sobre los apoyos actúan, por consiguiente fuerzas verticales iguales a la mitad de la carga y los empujes dirigidos hacia afuera. El empuje puede absorberse por medio de contrafuertes de material resistente a la compresión, por ejemplo mampostería, o un elemento de tracción tal como un tensor de acero. Tales armaduras elementales, de madera con tensores de hierro, se construyeron en la Edad Media para sostener los techos de pequeñas casas e iglesias

Usos y Ventajas

Se usan en techos, puentes y gimnasios con un rango de luces óptimo de 15 a 80 mts.

Ejemplos en Construcción

LOSACERO

Es una lámina de alma de acero acanalada galvanizada con nervaduras transversales para usar como losa de entrepiso o techo. Esta fabricada con acero estructural galvanizado en ambas caras, bien galvanizado y pre pintado en la parte expuesta o inferior de la losa.

Comportamiento Actúa como Acero de Refuerzo y cimbra, opera en forma similar a una viga trabajando como sección compuesta. El sistema consiste de la viga de Acero, Pernos de Cortantes y la Losa (Concreto + Perfil Acanalado). Se cuenta con un eficiente patrón de embozado longitudinal localizado en las paredes de cada canal del perfil y actúan como conectores mecánicos que ayudan a incrementar la adherencia entre el Perfil y el concreto evitando además el deslizamiento entre ellos, y logrando su desempeño como una sola unidad.

Usos y ventajas Esta lámina sirve de formaleta al momento del armado y fundición del concreto, además es el refuerzo principal de acero durante la vida útil de la losa. Con esta lámina es posible colocar apoyos con una mayor separación que las losas tradicionales manteniendo altas cargas de diseño. Posee un ancho total de 1.00 metros y un ancho útil de 0.95 centímetros; puede fabricarse a la medida por lo que reduce costos por concepto de traslapes, necesidad de pocos apoyos y rapidez de instalación.

MEMBRANA Una membrana es una hoja de material tan delgada que, para todo fin práctico, puede desarrollar solamente tracción. Buenos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas deben estabilizarse, principalmente porque su forma funicular para cargas horizontales difiere de las de las cargas verticales. La estabilización se obtiene por medio de un esqueleto interno o por pre-tensión producido por las fuerzas externas o por presión interna.

Clasificación según Uso y Función

• Construcciones textiles: Formadas

exclusivamente por las telas y los elementos soporte de éstas.

• Piel exterior: la estructura se utiliza para proteger un edificio o espacio cerrado, que se albergaría en su interior.

• Piel interior: la estructura se encuentra situada dentro de un espacio cerrado, siendo su uso en la mayoría de las ocasiones totalmente ornamental o como regulador de luz.

• Cubiertas: este tipo de soluciones se puede utilizar para cerrar patios, zonas interiores de edificio o estadios. Fachada: en estas estructuras, la tela es una extensión del edificio que se puede utilizar para proteger éste de la lluvia o el sol.

Comportamiento Dado que la altura que tiene este tipo de elementos se produce en la membrana una doble curvatura, la cual se puede considerar a la membrana como la intersección entre dos cables, en la cual la carga que lleva la membrana es la suma de los dos cables. Las membranas solo transmiten tensión y actúan esencialmente como una red de cables. Cuando la carga cambia la forma de la membrana también cambia y se adapta la curvatura a los valores necesarios para llevar la nueva carga. Las membranas como los cables son inestables, por lo cual se deben estabilizar por la acción de un cuerpo interno, por la tensión producto de fuerzas internas o externas. Dado que los esfuerzos que se producen son de tensión la utilización de las membranas es óptima.

Formas de estabilizar las membranas

Uso y Ventajas

Dada la naturaleza de llevar cargas por acción de membrana es liviana, económica, no ha sido usado ampliamente por su movilidad.

Ejemplos en Construcción

CONCRETO ARMADO / MUROS PORTANTES

Se conoce como sistema tipo cajón o tipo túnel a los arreglos entre placas verticales (muros), las cuales funcionan como paredes de carga, y las placas horizontales (losas). Este sistema genera gran resistencia y rigidez lateral, pero si la disposición de los muros se hace en una sola dirección o se utiliza una configuración asimétrica en la distribución de los muros, se generan comportamientos inadecuados que propician la posibilidad del colapso.

Comportamiento las cargas gravitacionales se transmiten a la fundación mediante fuerzas axiales en los muros, los momentos flexionantes son generalmente muy pequeños comparados a los esfuerzos cortantes, por lo cual no se puede esperar un comportamiento dúctil, al no producirse disipación de energía. Cuando se diseñen estos sistemas, es recomendable aprovechar la gran capacidad de carga y la gran resistencia y rigidez lateral, pero recordar que al estar sometidos a considerables esfuerzos cortantes, se debe diseñar el sistema a grandes cargas laterales en el rango elástico, para no considerar reducciones importantes por comportamiento inelástico.

Uso y Ventajas • Es un sistema que constructivamente es rápido de ejecutar, ya que se utilizan encofrados de

acero con forma de “U Invertida” que dispuestos en el sitio permiten vaciar los muros y las losas de manera simultánea. Se puede llegar a construir un nivel de 1200 m2 cada 3 días.

• Por el tipo de encofrado, el sistema permite que se construyan varios edificios simultáneamente, ya que mientras un edificio se va desencofrando, se puede ir encofrando el otro y así cumplir con los tiempos de fraguado del concreto.

• Comparado a un sistema aporticado tradicional, el sistema Tipo Túnel puede costar entre un 25 a 30% menos. Además de su rápida ejecución, el hecho de ya tener muros permite un ahorro en costos en la construcción de las paredes de bloques y el friso de las mismas.

• Es un sistema que bien configurado es poco propenso al colapso, ya que ofrece gran resistencia a los esfuerzos laterales.

• Como es un sistema muy rígido, donde casi no se producen desplazamientos laterales, los elementos no estructurales no sufren daños considerables.

• Termina siendo una estructura mucho más liviana que el sistema aporticado, y gracias a su rigidez lateral se pueden llegar a construir edificios de más de 30 pisos de altura.

Ejemplos en Construcción

La Madera

La madera es un material de estructura compleja y de carácter anisótropo, que forma parte del tejido leñoso de los árboles.

Clasificación de las maderas por su durabilidad natural

Se considera solamente el duramen, expuesto al ataque de hongos xilófagos frente al mayor riesgo de uso, entendiendo por tal el empleo de la madera sin preservación en contacto con el suelo o agua dulce. Cada exposición ofrece un riesgo diferente y este condiciona la vida útil de la madera. Los rangos de durabilidad corresponden a datos aproximados, algunos de los ensayos experimentales, otros de la observación de comportamientos. Deben, por lo tanto, aceptarse como estimativos.

Propiedades de la madera

Densidad La densidad real de las Maderas es sensiblemente igual para todas las especies: 1,56. La densidad aparente varía de una especie a otra, y aun en la misma, según el grado de humedad y zona del árbol. Las Maderas se clasifican según su densidad aparente, en pesadas, ligeras y muy ligeras.

Es la resistencia opuesta por la madera a la penetración o rayado. Interesa por lo que se refiere a la facilidad de trabajo con las distintas herramientas y en el empleo de la madera en pavimentos. Es mayor la dureza del duramen que la de la albura y la de la madera vieja que la de la joven. Tipo de Resistencias: - Compresión - Flexión - Tracción

Resistencias a esfuerzos

Compresión En la cual influyen varios factores y el mas importante en la

humedad; En general por debajo del punto de saturación de las fibras (30%), la resistencia a compresión aumenta al disminuir el grado de humedad, no obstante, a partir de ese % la resistencia es prácticamente constante.

También la dirección del esfuerzo tiene una gran repercusión en

la resistencia a compresión de la madera, la máxima corresponde al esfuerzo ejercido en la dirección de las fibras y va disminuyendo a medida que se aleja de esa dirección. La rotura en compresión se verifica por separación de columnillas de madera y pandeo individual de éstas.

Cuanto mayor es el peso específico, mayor es su resistencia

Flexión Puede decirse que la madera no resiste nada al esfuerzo

de flexión en dirección radial o tangencial. No ocurre lo mismo si está aplicado en la dirección perpendicular a las fibras.

Un elemento sometido a flexión se deforma,

produciéndose un acortamiento de las fibras superiores y un alargamiento de las inferiores. Al proyectar un elemento de madera sometido a flexión no sólo ha de tenerse en cuenta que resista las cargas que sobre él actúan, es necesario evitar una deformación excesiva, que provoque un agrietamiento en el material de revestimiento o alguna incomodidad de cualquier otro tipo, bastaría con aumentar el canto de la pieza aumentando la rigidez.

Durabilidad Es la resistencia de la madera a la acción del tiempo. Es una propiedad que depende de muchos factores diferentes. Para hacer un poco más manejable aunque impreciso este complejo tema, la durabilidad se establece en términos generales de acuerdo a ciertas condiciones generales de uso, las más notables son: En términos generales, las maderas expuestas a fuertes alternativas de humedad y sequedad durarán menos tiempo que si alguna de estas condiciones es estable; si se empotran las maderas en el suelo, duran más si éste es arcilloso y menos si es calizo. Es común pero no generalizado que las maderas blandas duren menos que las duras. No es apropiado establecer la durabilidad de la madera en años debido a los múltiples factores involucrados en ello..

Uso y Ventajas

En la construcción es aquella que se utiliza en la producción intensiva de elementos estructurales como vigas, correas, cabriadas, etc. o para la realización de estructuras portantes de un edificio, como por ejemplo techos, paredes, escaleras, entre otros.

Ejemplos en Construcción