REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”

SEDE BARCELONA – PUERTO LA CRUZARQUITECTURA  

  SISTEMAS ESTRUCTURALES

 Elaborado:

Reynaldo RotundoC.I: 15.416.067

Sistemas Estructurales

Primera parte:

Consideraciones para su implementación..

Un Sistema estructural deriva su carácter único de cierto numero de consideraciones; son las siguientes:·Funciones estructurales especificas resistencia a la compresión, resistencia a la tensión; ·para cubrir claros horizontales, verticalmente; en voladizo u horizontal.· La forma geométrica u orientación· El o los materiales de los elementos· La forma y unión de los elementos· La forma de apoyo de la estructura· Las condiciones especificas de carga· Las consideraciones de usos impuestas·Las propiedades de los materiales, procesos de producción y la necesidad de funciones especiales como desarmar o moverExisten características para calificar los sistemas disponibles que satisfagan una función especifica. Los siguientes puntos son algunas de estas características:

ECONOMÍANECESIDADES ESTRUCTURALES ESPECIALESPROBLEMAS DE DISEÑOPROBLEMAS DE CONSTRUCCIÓNMATERIAL Y LIMITACIÓN DE ESCALA

Criterio de resistencia, consistente en comprobar que las tensiones máximas no superen ciertas tensiones admisibles para el material del que está hecho el elemento.

Criterio de rigidez, consistente en que bajo la acción de las fuerzas aplicadas las deformaciones o desplazamientos máximo obtenidos no superan ciertos límites admisibles.

Criterios de estabilidad, consistente en comprobar que desviaciones de las fuerzas reales sobre las cargas previstas no ocasionan efectos autoamplificados que puedan producir pérdida de equilibrio mecánico o inestabilidad elástica.

Criterios de funcionalidad, que consiste en un conjunto de condiciones auxiliares relacionadas con los requisitos y solicitaciones que pueden aparecer durante la vida útil o uso del elemento estructural.

CARACTERÍSTICAS

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES

ESTRUCTURAS MACIZAS: Son aquellas en las que la resistencia y la estabilidad se logran mediante la masa, aun cuando la estructura no se completamente sólida.

ESTRUCTURAS RETICULARES: Consiste en una red de elementos ensamblados.

ESTRUCTURAS SUPERFICIALES: Pueden tener alto rendimiento debido a su función doble como estructura y envolvente, pueden ser muy estables y fuertes.

TIPOS DE ESTRUCTURAS

MUROS ESTRUCTURALES Cuando este sistema se utiliza tiene dos elementos distintivos en la estructura general del edificio:

• Muros: Utilizados para dar estabilidad lateral, así como apoyo a los elementos que cubren el claro. Generalmente son elementos a compresión. Pueden ser monolíticos o entramados ensamblados de muchas piezas. Aunque no se utilizan para transmisión de carga vertical se utilizan, a menudo, para dar estabilidad lateral.

• Elementos para cubrir claros: Funcionan como pisos y techos. Dentro de estos se encuentran una gran variedad de ensambles, desde simples tableros de madera y viguetas hasta unidades de concreto precolado o armaduras de acero.

SISTEMA DE POSTES Y VIGASEl uso de troncos y árboles en las culturas primitivas como elementos de construcción fue el origen de este sistema básico, la cual es técnica constructiva importantes del repertorio estructural.

• Poste: Es un elemento que trabaja a compresión lineal y esta sujeto a aplastamiento o pandeo, dependiendo de su esbeltez relativa.

•Viga: Básicamente es un elemento lineal sujeto a una carga transversal; debe generar resistencia interna a los esfuerzos cortantes y de flexión y resistir deflexión excesiva. La estructura de vigas y postes requiere el uso de un sistema estructural secundario de relleno par producir las superficies de los muros, pisos y techos.

Algunas variaciones de este sistema son:>Extensión de los extremos de las vigas>Sujeción rígida de vigas y postes>Sujeción rígida con extensión de los extremos de las vigas>Ensanchamiento de los extremos del poste>Viga continua

MARCOS RÍGIDOSCuando los elementos de un marco lineal están sujetos rígidamente, es decir, cuando las juntas son capaces de transferir flexión entre los miembros, es sistema asume un carácter particular. Si todas las juntas son rígidas, es imposible cargar algunos de los miembros transversalmente sin provocar la flexión de los demás.

SISTEMAS PARA CUBRIR CLAROS PLANOSConsiste en producir el sistema en dos sentidos del claro, en vez de uno solo. El máximo beneficio se deriva de una claro en dos direcciones si los claros son iguales. Otro factor importante para incrementar el rendimiento es mejorar la característica de la flexión de los elementos que cubren el claro.

SISTEMA DE ARMADURASUna estructura de elementos lineales conectados mediante juntas o nudos se puede estabilizar de manera independiente por medio de tirantes o paneles con relleno rígido. Para ser estables internamente o por si misma debe cumplir con las siguientes condiciones:•Uso de juntas rígidas•Estabilizar una estructura lineal: Por medio de arreglos de los miembros en patrones rectangulares coplanares o tetraedros espaciales, a este se le llama celosía.

Cuando le elemento estructural producido es una unidad para claro plano o voladizo en un plano, se llama armadura. Un elemento completo tiene otra clasificación: arco o torre de celosía.

SISTEMA DE ARCO, BÓVEDA Y CÚPULA:El concepto básico del arco es tener una estructura para cubrir claros, mediante el uso de compresión interna solamente. El perfil del arco puede ser derivado geométricamente de las condiciones de carga y soporte. Para un arco de un solo claro que no esta fijo en la forma d resistencia a momento, con apoyos en el mismo nivel y con una carga uniformemente distribuida sobre todo el claro, la forma resultante es la de una curva de segundo grado o parábola. La forma básica es la curva convexa hacia abajo, si la carga es gravitacional.

ESTRUCTURAS A TENSIÓNLa estructura de suspensión a tensión fue utilizada ampliamente por algunas sociedades primitivas, mediante el uso de líneas cuerdas tejidas de fibras o bambú deshebrado. Desde el punto de vista estructural, el cable suspendido es el inverso del arco, tanto en forma como en fuerza interna. La parábola del arco a compresión se jala para producir el cable a tensión. El acero es el principal material para este sistema y el cable es la forma lógica.

ESTRUCTURAS DE SUPERFICIESSon aquellas que consisten en superficies extensas, delgadas y que funcionan para resolver solo fuerzas internas dentro de ellas. El muro que resiste la compresión, que estabiliza el edificio al resistir el cortante dentro de un plano y al cubrir claros como una viga, actúa como una estructura de superficie. La bóveda y la cúpula son ejemplos de este tipo. Las estructuras de superficie más puras son las que están sometidos a tensión. Las superficies a compresión deben de ser más rígidas que las que soportan tensión, debido a la posibilidad de pandeo.

SISTEMAS ESPECIALES

•ESTRUCTURAS INFLADAS: Se utiliza inyección o presión e aire como recurso estructural en una variedad de formas.

•ESTRUCTURAS LAMINARES: es un sistema para moldear superficies de arco o bóveda, utilizando una red de nervaduras perpendiculares que aparecen como diagonales en planta.

•CÚPULAS GEODÉSICAS: ideada para formar superficies hemisféricas, se basa en triangulación esférica.

•ESTRUCTURAS DE MÁSTIL: existen estructuras similares a los árboles, que tienen piernas únicas para apoyo vertical y que soportan una serie de ramas. Requiere bases muy estables, bien anclados contra el efecto del volteo provocado por fuerzas horizontales.

Configuración estructural

Se conoce como configuración estructural a la distribución y localización que se le dan a todos los elementos resistentes de una estructura, es decir, columnas, muros, losas, núcleos de escalera entre otros. Pero también se debe tomar en cuenta dentro de este concepto a todos los elementos no estructurales, como la disposición de la tabiquería, la geología del sector, clima, reglamentos de diseño urbano, como también su carga ocupacional.

La configuración estructural puede ser considerada como el aspecto más importante en todo el proyecto estructural. Ya que un sistema estructural bien seleccionado tiende a ser realmente indulgente de  los descuidos del análisis, un mediocre detallado o un pobre proceso constructivo.  Estas conclusiones se deducen de la experiencia obtenida en pasados eventos sísmicos, donde se muestra que los edificios bien estructurados y detallados han tenido un comportamiento satisfactorio, aun sin haber sido objeto de análisis y cálculos profundos.Su importancia reside en que si el diseño arquitectónico no llega a complementarse con un óptimo y razonable criterio en el diseño estructural,  la estructura puede comportarse deficientemente ante un terremoto, a pesar de que se hayan realizado métodos de análisis complejos y muy detallados por parte del ingeniero.

Desarrollo estructural

a)Etapa de estructuraciónEs probable la etapa mas importante del diseño estructural pues, la optimización del resultado final del diseño depende de gran medida del acierto que se haya obtenido en adoptar la estructura esqueletal mas adecuada para una edificación específica.En esta etapa de estructuración se seleccionan los materiales que van a constituir la estructura, se define el sistema estructural principal y el arreglo y dimensiones preliminares de los elementos estructurales mas comunes. El objetivo debe ser el de adoptar la solución optima dentro de un conjunto de posibles opciones de estructuración.

b)Estimación de las solicitaciones o accionesEn esta segunda etapa del proyecto, se identifican las acciones que se consideran que van a incidir o que tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante su vida útil. Entre estas acciones se encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como la carga muerta, acciones variables como la carga viva. Acciones accidentales como el viento y el sismo. Cuando se sabe de antemano que en el diseño se tienen que considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en base a la experiencia la estructuración mas adecuada para absorber dichas acciones.

c) Análisis estructuralProcedimiento que lleva la determinación de la respuesta del sistema estructural ante la solicitación de las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La respuesta de una estructura o de un elemento es su comportamiento bajo una acción determinada; está en función de sus propias características y puede expresarse en función de deformaciones, agrietamiento, vibraciones, esfuerzos, reacciones, etc.

Para obtener dicha respuesta requerimos considerar los siguientes aspectos:

Idealización de la estructura.Seleccionar un modelo teórico y analítico factible de ser analizado con los procedimientos de calculo disponible. La selección del modelo analítico de la estructura puede estar integrado de las siguientes partes:

I.- Modelo geométrico. Esquema que representa las principales características geométricas de la estructura.

II.- Modelo de las condiciones de continuidad en las fronteras. Debe establecerse como cada elemento esta conectado a sus adyacentes y cuales son las condiciones de apoyo de la estructura.

III.- Modelo del comportamiento de los materiales. Debe suponerse una relación acción - respuesta o esfuerzo - deformación del material que compone la estructura.

IV.- Modelo de las acciones impuestas. Las acciones que afectan la estructura para una condición dada de funcionamiento se representan por fuerzas o deformaciones impuestas.

Determinar las acciones de diseño

En muchas situaciones las cargas y otras acciones que introducen esfuerzos en la estructura están definidos por los reglamentos de las construcciones y es obligación del proyectista sujetarse a ellos.Determinar la respuesta de las acciones de diseño en el modelo elegido para la estructura.Es necesario obtener los elementos mecánicos y los desplazamientos en el sistema estructural.

Dimensionamiento

En esta etapa se define a detalle la estructura y se revisa si se cumple con los requisitos de seguridad adoptados.

ESTRUCTURAS APORTICADAS EN ACERO EN LAS TORRES

PETRONASEl sistema de tubo en tubo combina la «fachada resistente», con un núcleo rígido de concreto reforzado (ver figura); los dos sistemas se unen mediante un conjunto de vigas en cada piso; la planta básica de cada una de las Torres Patronas en Malasia, tienen este sistema en concreto reforzado de gran resistencia conformado con diez y seis columnas circulares de concreto reforzado de alta resistencia ubicadas en el polígono cerrado exterior que se muestra en la figura , unidas al núcleo central por donde se disponen los ascensores y escaleras de las torres.

Los sistemas de tubo se basan en crear una estructura con columnas en la fachada poco separadas que se unen con las vigas en cada piso. Los elementos arquitectónicos de tipo vertical se vuelven estructurales, creando un sistema que actúa como un tubo perforado o una caja rígida que se proyecta en voladizo desde el suelo, bajo la acción de las fuerzas horizontales. Este sistema es denominado también de fachada resistente. Las columnas trabajarán básicamente a tensión o compresión, suministrando la capacidad a volcamiento de la estructura, sin momentos flectores. Las torres del comercio en Nueva York de 102 pisos, tenían este sistema en acero estructural.

ESTRUCTURAS APORTICADAS EN ACERO WORLD TRADE CENTER

ESTRUCTURAS APORTICADAS EN ACERO TORRE JOHN HANCOCK CENTER EN CHICAGO

En las estructuras de acero las columnas se pueden colocar más separadas que en los sistemas en tubo, pero conectándolas con miembros diagonales en la fachada, para hacer que trabajen en conjunto (edificio John Hancock Center, de 100 pisos, en Chicago)

El sistema de los tubos en paquete permite aprovechar las columnas interiores, que en el caso de sistemas de tubo con grandes áreas de piso serían poco eficaces; se disponen las columnas cercanas en módulos tubulares para mejorar su funcionamiento bajo fuerzas horizontales como las de viento. El edificio Sears de Chicago, con sus 110 piso es en la actualidad el edificio más alto en las Américas con este sistema

Torre Sears en Chicago

La altura de la aguja ha sido polémica entre las organizaciones que no tienen en cuenta la altura de las antenas, agujas o elementos de decoración para medir la altura de los rascacielos. Para ellos, la “Torre de Taipei” no sería el edificio más alto de mundo en la actualidad y tal vez lo sería el edificio Sears en Chicago, cuyo último piso está a 443 m. Esta torre destinada a oficinas, locales comerciales y parqueaderos es construida en acero estructural, con columnas tubulares de acero de 80 mm de espesor y rellenas de concreto de alta resistencia (10.000 psi), y tiene un dispositivo de amortiguación, con una esfera de acero de 800 t de peso, en el piso 88, que le permite controlar las oscilaciones normales del edificio; el efecto causado por los grandes sismos que afectan a la isla de Taiwan, no es atendido por este sistema.

Torre de Taipei