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Sistemas estructurales Cátedra Paralela MSc. Arq. Gerardo Regalado R.

Estructura • Se define como estructura a los cuerpos capaces de resistir cargas sin que exista una deformación excesiva de una de las partes con respecto a otra. Por ello la función de una estructura consiste en trasmitir las fuerzas de un punto a otro en el espacio, resistiendo su aplicación sin perder la estabilidad.

Tipos de estructuras • Estructuras Geodésicas

Son estructuras trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bóvedas y de las estructuras de barras • Estructuras Laminares

Constan de láminas finas que tienen gran resistencia debido a su curvatura • Estructuras Colgantes Soportan el peso de la construcción mediante cables o barras que van unidos a soportes muy resistentes • Estructuras Entramadas Están formadas por una malla de piezas verticales y horizontales, de manera rígida, formando un emparrillado

Tipos de estructuras • Estructuras Abovedadas Son estructuras muy pesadas y macizas formadas por superficies anchas y resistentes, para construirlas se emplea gran cantidad de material • Estructuras Masivas

Utilizan gran cantidad de material y apenas tiene huecos • Estructuras Trianguladas Se caracterizan por la disposición de barras formando triángulos, resultan muy resistentes y ligeras a la vez • Estructuras Neumáticas

Son construcciones de material ultraligero sin apoyos centrales, sostenidos por una presión diferencial de aire que provee de una circulación continua de aire fresco

Familia estructural

Familia estructural

Clasificación de sistemas estructurales • 1. Sistema de Forma Activa: Estructuras que trabajan a tracción o compresión simples, tales como los cables y arcos. • 2. Sistemas de Vector Activo: Estructuras en estados simultáneos de esfuerzos de tracción y compresión, tales como las cerchas planas y espaciales.

• 3. Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexión, tales como las vigas, dinteles, pilares y pórticos. • 4. Sistemas de Superficie Activa: Estructuras en estado de tensión superficial, tales como las placas, membranas y cáscaras. • 5. Sistemas de Altura Activa: Estructuras verticales que emplean para la dirección y transmisión de los sistemas de fuerzas un mecanismo de vector, masa o superficie activos

Sistema de forma activa • Los cables son estructuras flexibles debido a la pequeña sección transversal en relación con la longitud. Esta flexibilidad indica una limitada resistencia a la flexión, por lo que la carga se transforma en tracción y también hace que el cable cambie su forma según la carga que se aplique. Las formas que puede adoptar el cable son: • 1. Polígono funicular, es la forma que adopta el cable ante fuerzas puntuales. • 2. Parábola, es la curva que adquiere el cable ante una carga horizontal uniformemente repartida.

• 3. Catenaria, es la figura que forma el cable ante el peso propio del mismo.

• Un cable no constituye una estructura auto portante a menos que cuente con medios y procedimientos para absorber su empuje. Esto se logra canalizando sobre las torres la tracción del cable y anclando en tierra.

Si se invierte la forma parabólica que toma un cable, sobre el cual actúan cargas uniformemente distribuidas según una horizontal, se obtiene la forma ideal de un arco que sometido a ese tipo de carga desarrolla sólo fuerzas de compresión. El arco es en esencia una estructura de compresión utilizado para cubrir grandes luces.

Sistemas de vector activo • Los sistemas estructurales de vector activo son sistemas portantes formados por elementos lineales (barras), en los que la trasmisión de las fuerzas se realizan por descomposición vectorial, es decir, a través de una subdivisión multidireccional de las fuerzas. • Sus elementos (cordones, barras) trabajan en un sistema mixto de compresión y tracción. • Las características principales son Triangulación y unión mediante nudos

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• Las estructuras de vector activo, presentan grandes ventajas como estructuras verticales para edificios de gran altura. Proyectados adecuadamente, pueden combinar las funciones estáticas de agrupamiento de cargas lineal, trasmisión directa de las cargas y rigidización lateral frente al viento. • En este sistema se cambia la dirección de las fuerzas dividiendo las cargas en diferentes direcciones a través de dos o mas barras y las equilibran mediante las correspondientes reacciones vectoriales.

Las barras de una armadura no van más allá de los puntos de unión. Esta se realiza por medio de remaches, pernos o soldadura a una “cartela” dispuesta en la intersección de las barras.

Barras

Cordón inferior Columna

Compresión Tensión

Cimentació n Luz

Sistema de masa activa • Las vigas figuran entre los elementos estructurales más comunes, dado que la mayor parte de las cargas son verticales y la mayoría de las superficies utilizables son horizontales. Por consiguiente las vigas transmiten en dirección horizontal las cargas verticales, lo que implica una acción de flexión y corte. • En una viga simplemente apoyada, una carga aplicada en el punto medio se transmite por mitades a ambos apoyos. En las vigas de volado esta se trasmite al extremo apoyado.

Dinteles y Pilares • El sistema de pilar y dintel pueden construirse uno sobre otro para levantar edificios de muchos pisos. En este caso, los dinteles apoyan en pilares o en paredes de altura igual a la del edificio. Si bien la construcción de este tipo puede resistir cargas verticales, horizontales, así los vientos huracanados y terremotos dañan con facilidad este sistema, pues la mampostería y los elementos de piedra poseen escasa resistencia a la flexión y no se establece una conexión fuerte entre los dinteles y pilares.

• La acción del sistema de pilar y dintel se modifica en grado sustancial si se desarrolla una unión rígida entre el dintel y el pilar llamándose ahora viga y columna. Esta nueva estructura, denominada el pórtico rígido simple o de una nave, se comporta de manera monolítica y es más resistente tanto a las cargas verticales como a las horizontales. • A medida que aumentan el ancho y la altura del edificio, resulta práctico aumentar el número de naves, reduciendo así la luz de las vigas y absorbiendo las cargas horizontales de manera más económica. • La estructura resistente del edificio se convierte de este modo en un pórtico con una serie de mallas rectangulares que permiten la libre circulación en el interior, y es capaz de resistir tanto cargas horizontales como verticales. • Una serie de estos pórticos, paralelos entre sí y unidos por vigas horizontales, constituye la estructura tipo-jaula que encontramos hoy en la mayoría de los edificios de acero o de concreto armado. Estos pórticos tridimensionales actúan integralmente contra cargas horizontales de cualquier dirección, pues sus columnas pueden considerarse como parte de uno u otro de dos sistemas de pórticos perpendiculares entre sí. • Bajo la acción de cargas verticales, los tres elementos de un pórtico simple se hallan sometidos a esfuerzos de compresión y flexión. Con las proporciones usuales de vigas y columnas, la compresión predomina en las últimas y la flexión en las primeras. Las columnas son relativamente esbeltas y la viga relativamente alta.

Sistemas de superficie activa Placas • Los sistemas de entramado son particularmente eficientes para transferir cargas concentradas y para lograr que toda la estructura participe en la acción portante. • Esta eficiencia se refleja no sólo en la mejor distribución de las cargas sobre los apoyos, sino en la menor relación espesor a luz de los entramados rectangulares. La relación espesor a luz en los sistemas de vigas paralelas empleados en la construcción corriente varía entre [1/10, 1/24], según el material de las vigas. • En el proyecto moderno de edificios de oficinas, es común apoyar las placas de piso sobre una pared exterior o sobre una serie de columnas y en el “núcleo” interno, dentro del cual se disponen los ascensores, conductos de aire acondicionado y otros elementos del sistema mecánico, eléctrico y sanitario. De esa manera se obtiene una zona de piso totalmente libre.

Sistemas de superficie activa Placas • La unión entre columnas y placas debe proyectarse para absorber el llamado “punzonamiento” de las columnas y requiere a menudo el uso de capiteles o placas intermedias de distribución. A fin de evitar capiteles, se emplean conectores de corte de acero, para garantizar la transferencia de la carga desde la columna a la placa en el proyecto de hormigón armado.

• La eficiencia estructural de las placas puede aumentarse reforzándolas con nervaduras, eliminando así parte del material de la zona próxima al plano neutro sin tensiones. • Las placas plegadas pueden hacerse de madera, acero, aluminio o concreto armado. Las de este último material son particularmente económicas, pues es posible preparar su encofrado con tablones rectos, o bien prefabricar las losas de concreto en tierra, izarlas hasta su lugar y conectarlas soldando las barras transversales en el pliegue, con lo que se evita la mayor parte del encofrado.

Membranas Una membrana es una hoja de material tan delgada que para todo fin práctico, puede desarrollar solamente tracción. Algunos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por pre-tensión producido por fuerzas externas o presión interna. El pretensado permite que una membrana cargada desarrolle tensiones de compresión hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de tracción incorporadas a ellas No obstante la inconsistencia de las membranas respecto a la mayor parte de los estados de tensión, el ingenio humano ha hallado maneras de utilizar membranas para fines estructurales, sobre todo debido a su bajo peso. La carpa del circo es una membrana capaz de cubrir decenas de metros, siempre que la tela cuente con adecuado sostén en parantes de compresión, estabilizados por riendas de tracción. Las carpas son útiles como cubiertas temporarias y aceptables como techos permanentes si son altamente pretensadas.

Cáscaras • Se denominan estructuras resistentes por la forma a aquéllas cuya resistencia se obtiene dando forma al material según las cargas que deben soportar. • Una membrana invertida y sometida a las mismas cargas para las cuales se le dio forma originariamente, sería una estructura de este tipo y desarrollaría sólo compresión, es decir, constituiría el antífunicular bidimensional de esas cargas. • Su movilidad e incapacidad para resistir tensiones de corte o de compresión, restringen el uso de las membranas. Todas las desventajas de la acción de membrana se evitan conservando al mismo tiempo la mayor parte de sus ventajas en las cáscaras delgadas.

• Las cáscaras delgadas son estructuras resistentes por la forma, suficientemente delgadas para no desarrollar tensiones apreciables de flexión, pero también suficientemente gruesas para resistir cargas por compresión, corte y tracción. • Aunque se las ha construido de madera, acero y materiales plásticos, son ideales para construirlas en concreto armado. • Las cáscaras delgadas permiten la construcción económica de cúpulas y otros techos curvos de formas diversas, gran belleza y excepcional resistencia, este tipo de estructura figura entre las expresiones más refinadas del diseño estructural.

Sistema de altura activa • En edificios de altura, los sistemas de recolección de cargas están íntimamente relacionados con la configuración y la organización de la planta.

• La interdependencia es tal que los distintos sistemas de recolección de cargas dan origen a sus correspondientes sistemas de organización de plantas para edificios de altura. • Los sistemas estructurales verticales, a pesar de la lógica verticalidad de los elementos transmisores de las cargas, pueden ser proyectados también en forma económica con elementos no verticales. • Ello significa que la monotonía de las líneas rectas verticales del alzado del contorno no es cualidad intrínseca de los sistemas estructurales verticales.

Sistema de altura activa • Los sistemas estructurales verticales requieren para la transmisión de las cargas verticales una considerable masa en la sección de los soportes, que reduce la superficie útil en planta. • Colgando las plantas, en vez de apoyarlas sobre elementos inferiores, puede conseguirse una reducción en la sección de los elementos verticales transmisores de las cargas. Sin embargo, esta forma de transmisión de carga necesita de un sistema estructural superpuesto para el transporte final de las cargas hasta el suelo.

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