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“Elementos Estructurales de Concreto y Concreto Reforzado” Equipo: Luis Daniel Oseguera Toledo Rafael Bernal Padilla Oscar Omar Cerda Chávez

¿Qué es un elemento estructural? Un elemento estructural es cada una de las partes diferenciadas aunque vinculadas en que puede ser dividida una estructura a efectos de su diseño. El diseño y comprobación de estos elementos se hace de acuerdo con los principios de la ingeniería estructural y la resistencia de materiales.

El concreto simple, sin refuerzo, es resistente a la compresión, pero débil en tensión, lo que limita su aplicabilidad como material estructural. Para resistir tensiones, se emplea refuerzo de acero, generalmente en forma de barras, colocado en las zonas donde se prevé que se desarrollarán tensiones bajo las acciones de servicio. El acero restringe el desarrollo de las grietas originadas por la poca resistencia a la tensión del concreto. El uso del refuerzo no está limitado a la finalidad anterior, también se emplea en zonas de compresión para aumentar la resistencia del elemento reforzado, para reducir las deformaciones debidas a cargas de larga duración y para proporcionar confinamiento lateral al concreto, lo que indirectamente aumenta su resistencia a la compresión. La combinación de concreto simple con refuerzo constituye lo que se llama concreto reforzado.

Básicamente los elementos estructurales pueden tener estados de tensión uniaxiales, biaxiales o triaxiales según su dimensionalidad y según cada una de las direcciones consideradas pueden existir tanto tracciones como compresiones y finalmente dicho estado puede ser uniforme sobre ciertas secciones transversales o variar de punto a punto de la sección. Los elementos estructurales suelen clasificarse en virtud de tres criterios principales:

Dimensionalidad del elemento, según puedan ser modelizados como elementos unidimensionales (vigas, arcos, pilares, ...), bidimensionales (placas, láminas, membranas) o tridimensionales.

Forma geométrica y/o posición, la forma geométrica concreta afecta a los detalles del modelo estructural usado, así si la pieza es recta como una viga o curva como un arco, el modelo debe incorporar estas diferencias, también la posición u orientación afecta al tipo de estado tensional que tenga el elemento.

Estado tensional y/o solicitaciones predominantes, los tipos de esfuerzos predominantes pueden ser tracción (membranas y cables), compresión (pilares), flexión (vigas, arcos, placas, láminas) o torsión (ejes de transmisión, etc.).

Elementos lineales Los elementos lineales o unidimensionales o prismas mecánicos, están generalmente sometidos a un estado de tensión plana con esfuerzos tensiones grandes en la dirección de línea baricéntrica(que puede ser recto o curvo). Geométricamente son alargados siendo la dimensión según dicha línea (altura, luz, o longitud de arco), mucho mayor que las dimensiones según la sección transversal, perpendicular en cada punto a la línea baricéntrica. Los elementos lineales más comunes son según su posición y forma: Verticales, comprimidos y rectos: Columna (sección circular) o pilares (sección poligonal), pilote (cimentación). Horizontales, flexionados y rectos: viga o arquitrabe, dintel, zapata corrida para cimentación, correa de sustentación de cubierta. Diagonales y rectos: Barras de arriostramiento de cruces de San Andrés, barras diagonales de una celosía o entramado triangulado, en este caso los esfuerzos pueden ser de flexión tracción dominante o compresión dominante. Flexionados y curvos, que corresponden a arcos continuos cuando los esfuerzos se dan según el plano de curvatura o a vigas balcón cuando los esfuerzos son perpendiculares al plano de curvatura.

Elementos bidimensionales Los elementos planos pueden aproximarse por una superficie y tienen un espesor pequeño en relación a las dimensiones generales del elemento. Es decir, en estos elementos una dimensión, llamada espesor, es mucho menor que las otras dos. Pueden dividirse según la forma que tengan en elementos:

Horizontales, flexionados y planos, como los forjados, las losas de cimentación, y las plateas o marquesinas. Verticales, flexionados y planos, como los muros de contención.

Verticales, comprimidos y planos, como los muros de carga, paredes o tabiques. Flexionados y curvos, como lo son las láminas de revolución, como los depósitos cilíndricos para líquidos. Traccionados y curvos son las membranas elásticas como las paredes de depósitos con fluidos a presión.

Elementos tridimensionales Los elementos tridimensionales o volumétricos son elementos que en general presentan estados de tensión biaxial o triaxial, en los que no predomina una dirección dimensión sobre las otras. Además estos elementos suelen presentar tracciones y compresiones simultáneamente según diferentes direcciones, por lo que su estado tensional es complicado. Entre este tipo de elementos están:

- Las mensulas de sustentación - Las zapatas que presentan compresiones según direcciones cerca de la vertical al pilar que sustentan y tracciones en direcciones cerca de la horizontal.

Unidimensionales

Solicitacion es predominan tes Flexión

Tracción Compresión

rectos

curvos

viga viga recta, dintel, balcón, arco arquitrabe cable tensado

catenaria pilar

Bidimensionales

planos

curvos

placa, losa, forjado, muro de contención

lámina, cúpula

membrana elástica muro de carga

Un pilar es un elemento vertical (o ligeramente inclinado) sustentante exento de una estructura, destinado a recibir cargas verticales para transmitirlas a la cimentación y que, a diferencia de la columna, tiene sección poligonal.

Es el elemento estructural vertical empleado para sostener la carga de la edificación Utilizado por la libertad que proporciona para distribuir espacios al tiempo que cumple con la función de soportar el peso de la construcción

La formas, armados y las especificaciones de las columnas estarán en razón directa del tipo de esfuerzos que están expuesta

Maderas Tabique Piedra Acero

Concreto

Columna de Tabique

Columna de Piedra

Columna de Acero

Se construye a base de este material, la dimensión de la columna se logran acomodando el tabique en diferentes formas. El mortero se usa para asentarlos (cal, arena), (cemento, arena); debiendo quedar alternado o cuatrapiado.

La piedra debe ser fácil de labrar y en trozos regulares que faciliten su colocación. Se utiliza mortero, las juntas deberán ser cuatrapiadas

Pueden ser sencillas, fabricadas directamente con perfiles estructurales, empleados como elemento único, o perfiles compuestos. Puede ser hueca, cuándo se rellena de concreto. El empleo depende del diseño estructural y constructivo

COLUMNA DE CONCRETO

*Columna de Concreto Armado *Columna de Concreto Reforzado

Son estructuras producto de una combinación o mezcla de materiales con características diferentes como el concreto y el acero de refuerzo compuesta de acero y concreto

Columna de Concreto Armado

Es la combinación del concreto y el acero como material compuesto. En estos casos, el acero se coloca en la parte inferior porque es la zona de tracción (donde se rompería).

-Elemento reforzados con barras longitudinales − Elementos reforzados con barras longitudinales y estribos − Elementos reforzados con tubos de acero estructural, con o sin barras longitudinales, además de diferentes tipos de refuerzo transversal

Columna de Concreto Reforzado

Es una combinación de concreto simple y con refuerzo.

La carga actúa a una distancia del eje longitudinal del miembro estructural

El

Resistencia en compresión, durabilidad, resistencia al fuego y moldeabilidad del concreto, alta resistencia en tensión y ductilidad del acero

Columna Corta

Columna Larga

Columna Intermedio

El efecto esbeltez y es un factor importante, ya que la forma de fallar depende de la esbeltez, para la columna poco esbelta la falla es por aplastamiento Son los elemento más esbeltos y la falla es por pandeo.

Es donde la falla es por una combinación de aplastamiento y pandeo.

Un pilote es un elemento constructivo utilizado para cimentación de obras, que permite trasladar las cargas hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se encuentra a una profundidad tal que hace inviable, técnica o económicamente, una cimentación más convencional mediante zapatas o losas.

En ingeniería y arquitectura se denomina viga a un elemento constructivo lineal que trabaja principalmente a flexión. En las vigas la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser horizontal.

El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y compresión, Estructuralmente el comportamiento de una viga se estudia mediante un modelo de prisma mecánico.

Las vigas o trabes de concreto armado se utilizan para apoyar lozas de techos sujetos a muros o entre muros y columnas. Son elementos de sección variable y pueden elaborarse con diferentes materiales. Para evitar grietas y fallas en el funcionamiento de las vigas es necesario realizar un buen diseño del armado de acero ya que este proporcionara mayor rigidez resistencia y seguridad al elemento.

Este tipo de losa consta de una sección de concreto reforzado en dos direcciones. Dependiendo de cómo este apoyada, una losa maciza deberá tener mayor cantidad de refuerzo en un sentido que en el otro. Si la losa dispone de muros de apoyo en los cuatro lados su dirección principal será la del sentido mas corto, si es cuadrada cualquiera de los dos sentidos es igual. Si la losa dispone de muros en solo dos lados (deben ser opuestos), la dirección principal será en la dirección perpendicular a la dirección de los apoyos.

El refuerzo o acero que se le debe colocar a la losa debe seleccionarse de acuerdo con la siguiente tabla. El refuerzo indicado puede utilizarse únicamente para condiciones y cargas típicas de viviendas.

*Luces mayores resultan poco económicas, por lo tanto es mejor construir la losa aligerada. *El refuerzo secundario se coloca para evitar que el concreto se agriete debido a los efectos de la temperatura.

Preparación: Se deben alistar los materiales, consultar las

especificaciones (forma, espesor, etc.) y nivelar el piso desde donde se van a tomar las medidas.

Apuntalado: Se colocan los largueros paralelos en los muros,

apoyados sobre puntales cada 60 cm. Se procede a nivelar los largueros y cuñar los puntales. Los puntales se deben arriostrar (sostener con diagonales) para evitar su caída por desplazamiento lateral.

Formaleta: Se colocan las tablas apoyadas entre los largueros

formando una superficie lo mas ajustada que se pueda para que no se escape el concreto por entre los espacios. La formaleta debe quedar nivelada.

Armar el refuerzo: Se debe colocar el refuerzo calculado sobre la

formaleta, apoyado de tal forma que al vaciar el concreto, el refuerzo quede totalmente rodeado por éste. El recubrimiento mínimo de concreto sobre el acero debe ser de 4 cm.

Vaciado del concreto: Se debe hacer con cuidado para evitar que la formaleta se pueda caer. Recordando los cuidados y el procedimiento para hacer y vaciar concreto.

Losas planas son aquéllas que transmiten las cargas directamente a las columnas, sin la ayuda de vigas. Pueden ser macizas, o aligeradas por algún medio (bloques de material ligero, alvéolos formados por moldes removibles, etc). Según la magnitud de la carga por transmitir, la losa puede apoyar directamente sobre las columnas o a través de ábacos, capiteles o una combinación de ambos. En ningún caso se admitirá que las columnas de orilla sobresalgan del borde de la losa.

- Estas losas pueden mantenerse directamente sobre las columnas - Estas losas en su forma tradicional no poseen resistencia suficiente para irrumpir dentro del rango inelástico de comportamiento de los materiales - Estas no son ajustadas para zonas de alto riesgo sísmico. Ahora bien si se desea mejorar la resistencia de las losas al punzonamiento y la integración de estas losas planas con las columnas se recomienda la utilización de los capiteles y ábacos.

Una característica estructural importante de los apoyos de estas losas es que su rigidez a flexión es mucho mayor que la rigidez a flexión de la propia losa. Las losas apoyadas perimetralmente forman parte, comúnmente de sistemas estructurales integrados por columnas, vigas y losas. El comportamiento de éstas no puede estudiarse rigurosamente en forma aislada sino que debe analizarse todo el sistema, ya que las características de cada elemento influyen en el comportamiento de los otros. Las principales desventajas, es el enorme punzonamiento o cortante que se produce en el apoyo entre columna y losa (que se puede disminuir con el uso de capiteles), y la relativa independencia de las columnas, que al no formar un marco rígido se pandean y/o flexionan a diferentes ritmos cada una.

El punzonamiento es un esfuerzo producido por tracciones en una pieza debidas a los esfuerzos tangenciales originados por una carga localizada en una superficie pequeña de un elemento bidireccional de hormigón, alrededor de su soporte. Este esfuerzo de punzonamiento produce un efecto puntual sobre su plano de apoyo. Debe tenerse en cuenta que este efecto puede aparecer en los forjados reticulares y en losas macizas. La rotura aparece de improviso, bruscamente y sin aviso produciendo consecuencias muchas veces fatales en los habitantes del lugar. La superficie crítica de punzonamiento es la superficie de rotura, que abarca el perímetro donde apoya la losa .

Losas Planas con Vigas Embebidas: Estos tipos de losas son muy resistentes frente a los sismos ya que estas están incorporadas con vigas banda o embebidas para mejorar su comportamiento frente a los terremotos, estas pueden ser útiles para edificios de hasta 4 plantas, con luces y cargas pequeñas y medianas.

En este tipo de losa parte del concreto se reemplaza por otros materiales como cajones de madera, guadua y principalmente cuando se trata de viviendas de uno y dos pisos se reemplaza por ladrillos o bloques. De esta forma se disminuye el peso de la losa y se pueden cubrir mayores luces de manera mas económica. En este sistema, la losa tiene cuatro componentes: una torta inferior que se coloca sobre las tablas de la formaleta; los bloques o elementos aligerantes; la torta o plaqueta superior con refuerzo nominal y las viguetas en concreto reforzado.

-La torta inferior es un mortero con dosificación de 1:3 de 2 cm de espesor que permite cubrir el aligeramiento y el refuerzo principal de la losa o elementos aligerantes. - Los bloques o elementos aligerantes se colocan de tal manera que formen las cavidades de las viguetas con separaciones entre si, entre 50 y 70 cm (promedio de 60 cm). - La plaqueta superior es un concreto fundido monolítico con el sistema de piso , con 5.0 cm de espesor y debe tener un refuerzo de 1 varilla de ¼ de pulgada (numero 2) cada 30 cm en las dos direcciones.

ZAPATA CORRIDA Forma una losa continua de concreto armado, recibe las cargas de los muros o de una series de columnas

Su uso es cuando sea menor del 50% del área de la construcción. Pueden tener sección rectangular, escalonada o estrechada cónicamente Sus dimensión es relación con la carga que ha de soportar, resistencia a la compresión del material y presión admisible sobre el terreno. Es un elemento resistente uniendo las columnas por medio de contra trabes

LOSA DE CIMENTACION

Es una zapata combinada que puede cubrir el área entera bajo una estructura que soporta varias columnas y muros Se usan en suelos que tienen poca capacidad de carga y comprensibilidad media y alta Cuando cubren mas del 50 % del área de la construcción soportar todo el edificio sobre una losa de concreto armado De espesor constante, con refuerzos, Nervada y/o Aligerada, en forma de cajón

CAJONES DE CIMENTACION

Elementos estructurales de concreto armado que se construyen sobre el terreno Elementos de concreto reforzado, de sección transversal cilíndrica, rectangular, elipsoidal o similar se introducen en el terreno por su propio peso al ser excavado el suelo ubicado en su interior. Se usan para cargas altas y en terrenos de alta compresibilidad Pared de concreto reforzado (que constituye el cuerpo principal del elemento)

Los Muros de Contención son elementos constructivos que cumplen la función de cerramiento, soportando por lo general los esfuerzos horizontales producidos por el empuje de tierras. En otros tipos de construcción, se utilizan para contener agua u otros líquidos en el caso de depósitos. Un muro de contención no solo soporta los empujes horizontales trasmitidos por el terreno, debe también recibir los esfuerzos verticales trasmitidos a pilares, paredes de carga y forjados que apoyan sobre ellos. La mayoría de los muros de contención se construyen de hormigón armado, cumpliendo la función de soportar el empuje de tierras, generalmente en desmontes o terraplenes, evitando el desmoronamiento y sosteniendo el talud.

Clasificación de Muros de Contención De acuerdo a su Diseño Muros con Talón y Puntera: para construir este muro es necesario sobrepasar la línea de edificación, a nivel de los cimientos.

Muros sin Talón: por lo general al construirlo resulta con un aumento de dimensión en la puntera de la zapata.

Muros con Talón: ídem el primer caso, necesitan sobrepasar la linea de edificación. El resultado es similar al muro sin talón, pero trabaja de otra manera; esta es la mejor solución ante inestabilidades por posible vuelco.

De acuerdo a su Función Contención de tierras: cuando el muro se destina a contener sólidos, éstos por lo general son tierras; la impermeabilización y el drenaje son dos aspectos importantes para controlar el paso de agua del terreno hacia el interior de la edificación.

Contención de líquidos: para esta función es necesario conseguir la continuidad del hormigón a fin de lograr una buena impermeabilización. Para ello se efectúa un vibrado con un control adecuado, para evitar huecos y juntas.

De acuerdo a su Forma de Trabajo Muros de contención por gravedad: soportan los empujes con su peso propio. Los muros construidos con hormigón en masa u hormigón ciclópeo, por ser más pesados, se utilizan habitualmente como muro de gravedad ya que contrarrestan los empujes con su propia masa. Las acciones que reciben, se aplican sobre su centro de gravedad. Este tipo de muro de contención de gran volumen, se realiza de poca altura y con una sección constante; aunque también existen los de tipo ataluzados o escalonados. Muros de contención ligeros (a flexión): cuando el muro trabaja a flexión podemos construirlo de dimensiones mas livianas. Dado que aparecen esfuerzos de flexión, la construcción se efectúa con hormigón armado, y la estabilidad está en relación a la gran resistencia del material empleado. El diseño del muro debe impedir que flexione, ni produzca desplazamientos horizontales o vuelque, pues debido a los empujes, el muro tiende a deformarse. En la flexión aparecen esfuerzos de tracción y compresión. Por ello existen formas particulares para disponer las armaduras en estos muros.

Se denomina muro de carga o muro portante a las paredes de una edificación que poseen función estructural; es decir, aquellas que soportan otros elementos estructurales del edificio, como arcos, bóvedas, vigas o viguetas de forjados o de la cubierta.

Por su naturaleza, los muros son superficies continuas. Sin embargo, es necesario practicar aberturas en ellos para conformar ventanas o puertas, que iluminen, ventilen o comuniquen las estancias interiores. Para ello se utilizan dos métodos: el dintel, o el arco. Arco Otra manera de desviar las cargas del muro hacia los lados del hueco es utilizar el arco. Con esta técnica, el material trabaja fundamentalmente a compresión: un tipo de esfuerzo apropiado para la piedra y el ladrillo. De este modo, se consiguieron antiguamente huecos de grandes luces en los edificios, como los vitrales de las catedrales góticas. Existen no obstante otros dos métodos para abrir huecos en muros, ambos híbridos entre el arco y el dintel: el arco de descarga, y la falsa bóveda.



Dintel

El dintel es una pequeña viga que se coloca encima del hueco para desviar las cargas del muro hacia los laterales. Como todas las vigas, funciona principalmente a flexión, por lo que precisa materiales que trabajen bien tanto a compresión como a tracción. Hasta mediados del siglo XIX, con el desarrollo del acero, el único material disponible que reunía estas características era la madera, motivo por el cual los edificios anteriores a esa fecha no pudieron realizar grandes huecos en los muros de carga sin recurrir a los arcos.

Forjados de hormigón armado Los forjados de hormigón armado generalmente están conformados por vigas y viguetas prefabricadas de hormigón (armadas y pretensadas o no), bovedillas (o piezas aligerantes de mortero o cerámica), y capa de compresión de hormigón, ligeramente armado. Cuando las bovedillas se disponen longitudinalmente paralelas a las viguetas, el forjado trabaja unidireccionalmente. Si las bovedillas son casetones (u otro elemento aligerante) y se disponen en retícula (dejando nervios armados de hormigón entre ellas) estaremos construyendo un forjado bidireccional reticular. Los casetones pueden ser retirados luego o no. Los forjados de hormigón son los más extendidos en España, por la amplia y barata disponibilidad del material. Es el tipo más pesado de todos, pero también el más rígido. Puede soportar grandes cargas, incluso con amplias luces, es monolítico, de gran resistencia al fuego y aceptable aislante acústico. También existen forjados de hormigón armado prefabricados cuyo tiempo de ejecución es menor que los convencionales. Se conforman mediante prelosas o placas alveolares.

La Vigueta Es el componente principal del sistema prefabricado de losas aligeradas Concreto, ya que es el elemento estructural responsable de la resistencia de la losa.

La Vigueta de Acero de Alta Resistencia Es el componente principal de las viguetas prefabricadas, la armadura esta hecha de varillas de acero corrugado, 2 inferiores y 1 superior unidos por otro hilo trefilado en frío. Este acero tiene una resistencia a la rotura de 5,600 kg/cm2 y un límite de fluencia de 5,000 kg/cm2. Los 4 hilos de acero pasan por una máquina totalmente automatizada que les aplica una soldadura eléctrica especial que termina por unirlas en la configuración que se muestra en el detalle.

La Bovedilla Es el elemento aligerante de la losa y puede ser de varios materiales, los mismos que difieren en las prestaciones que brindan a la construcción. Tienen una forma especial que permiten, al apoyarse sobre el patín de concreto, eliminar totalmente la necesidad del encofrado de contacto:

Bovedilla de Poliestireno

Reduce significativamente el peso de la losa, lo que permite a su vez reducir el requerimiento de fierro en los elementos verticales. El trabajo en obra con este elemento requiere, sobretodo inicialmente una fuerte supervisión para que se cumplan las normas de seguridad mínimas que indican que los elementos de albañilería en general no deben usarse como zona de transito.

En ingeniería, el término ménsula refiere a un tipo de viga denominado más comúnmente voladizo (en inglés cantilever) que se caracteriza por estar apoyada en sólo uno de sus extremos mediante un empotramiento. Debido a la necesidad de dicho empotramiento, los voladizos suelen ser prolongaciones de vigas continuas de varios apoyos, y su longitud ideal oscila entre 1/4 y 1/5 de la longitud de los vanos intermedios, pues de esta manera se consigue equilibrar el peso en los pilares externos. Las vigas en voladizo también se usan con frecuencia en la construcción de puentes, especialmente hasta la aparición de la técnica del puente colgante.

Diseño de elementos estructurales Los elementos estructurales son diseñados, es decir, calculados o dimensionados para cumplir una serie de requisitos, que frecuentemente incluyen: 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.