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Escuela Militar de Ingeniería Prestigio, Disciplina y Mejores Oportunidades

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1.CONCEPTO DE ESTRUCTURA Una Estructura es un conjunto de elementos rígidos y a veces flexibles, de materiales y formas definidas que están unidos entre sí formando un esqueleto resistente el cual al estar vinculado al suelo a través de elementos llamados apoyos o cimientos tienen la capacidad de soportar cargas, temperaturas, vibraciones y en fin cualquier tipo de fuerza o fenómeno que pueda producirse por el uso para el cual fue diseñado. Véase los siguientes ejemplos

ESTRUCTURA DE HORMIGÓN ARMADO PARA VIVIENDA FAMILIAR

PUENTE COLGANTE PARA TUBERÍAS DE UN GASODUCTO

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OTRAS ESTRUCTURAS

ESTRUCTURA DE MADERA PARA CUBIERTA

ESTRUCTURA DE ACERO PARA ESTACIÓN DE SERVICIO

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2. ANALISIS Y DISEÑO Hoy en día programas como CYPE CAD, RAM ADVANSE, SAP 2000, ROBOT MILLENIUM, COSMOS, RISA3D y otros cumplen las sgtes. funciones:

Analizar la Estructura

Calcular reacciones Calcular y graficar esfuerzos Calcular y graficar deformaciones Calcular y graficar tensiones

Diseñar la Estructura

Controlar tensiones Controlar deformaciones Controlar posibles pandeos Graficar los planos constructivos

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Estos programas incluyen dentro de su cálculo diferentes tipos de elementos:

Elementos lineales

Elementos superficiales

Elementos volumetricos

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3. ESFUERZO Y TENSION a) Esfuerzo.- Son fuerzas internas concentradas en el baricentro de la sección producidas por un conjunto de agentes externos que tratan de deformar la estructura. Estos agentes externos pueden ser: - Fuerzas - Temperaturas - Vibraciones Los esfuerzos internos tienen carácter de ideal.

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b) Tensión Es la distribución de los esfuerzos internos en la superficie de la sección, estos se clasifican en:

- Tensión normal - Tensión cortante Este tipo de efecto tiene carácter real

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4. RESISTENCIA Y PANDEO a) Resistencia Es la capacidad que tienen las partículas al interior de un sólido para mantenerse unidas sin presentar signos de facturación cuando es afectado por un conjunto de agentes externos que tratan de sobrepasar las tensiones admisibles. Estos agentes externos pueden ser: - Fuerzas - Temperaturas - Vibraciones

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b) Pandeo Es la flexión que experimenta una pieza tipo barra cuando es afectado por grandes fuerzas de compresión. Si observamos las columnas siguientes de sus tres dimensiones únicamente la longitud es diferente, sin embargo la segunda columna colapsa debido a que la fuerza F, esto se debe a su gran esbeltez.

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F

F

Estable

Inestable

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5. PARTES DE UNA ESTRUCTURA Una estructura esta compuesta de las siguientes partes:

Uniones

....

-Elementos o barras

Barras de acero

-Uniones -Apoyos

Estructura de Acero

Apoyos o cimientos

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a) Barras o Elementos. Son piezas de diferentes longitudes de un material resistente que forman el esqueleto de la estructura y cuya función es la de soportar todos los efectos de las cargas que gravitan sobre la estructura. En estructuras de hormigón se los clasifican en Vigas y Columnas, véase los siguientes ejemplos:

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Viga de sección rectangular

Viga de sección T

Sección cuadrada

Sección rectangular

Sección circular

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En estructuras de acero las barras suelen denominarse perfiles metálicos

Sección I o de patín ancho

Sección rectangular o barra

Sección T

Sección tubular circular

Sección C o Canal

Sección L o angular

Sección tubular cuadrado

Sección circular o varilla

Cable

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b) Uniones o nudos. Es la forma de conexión de dos o más barras que concurren en un mismo espacio. La función de las uniones es la de trasmitir las fuerzas procedentes de las diferentes barras hasta llegar a los cimientos Las uniones suelen ser rígidas

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Unión Rígida de acero

Unión articulada de acero

Soldadura

Perno

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c) Apoyos o Cimientos. Son elementos generalmente de Hormigón (Cemento, arena y piedra) cuya función es la de transmitir las cargas procedente del esqueleto de la estructura al suelo, garantizando de esto modo su estabilidad. En Estructuras de Hormigón Armado suelen clasificarse en zapatas, plateas, pilotes, etc.

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En Estructuras de Acero suelen ser placas empernadas en bloques de concreto

Pernos de anclaje

Placa de Fundación

Macizo de Hormigón

Macizo de Hormigón

Apoyo empotrado Real

Apoyo articulado Real

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6. CLASIFICACION DE LAS ESTRUCTURAS Las estructuras lineales en función a sus características geométricas, se las clasifica en: a) Vigas. Son elementos rectos dispuestos horizontalmente en una sola dirección, admitiendo a veces pequeños ángulos de inclinación. Por lo general están apoyadas en uno o más puntos estratégicos y sometidos generalmente a cargas verticales que intentan flexionarla. Por ejemplo los puentes funcionan como vigas

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Las vigas a su vez se clasifican en:

Viga simplemente apoyada Viga inclinadas

Viga simplemente apoyada Con voladizo

Viga empotrada

Vigas Gerber

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b) Pórticos o Marcos. Están formados de elementos rectos horizontal, verticales e inclinados que están unidos entre si por juntas generalmente rígidas otras veces articuladas. El siguiente es un marco o pórtico de una sola luz

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Los pórticos a su vez se clasifican en:

Pórtico simple de una sola luz

Pórtico compuesto de una sola luz

Pórtico simple de dos luces

Pórtico compuesto de dos luces

Pórtico cerrado

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c) Reticulado o Armadura. Cuando se requiere grandes espacios cubiertos puede seleccionarse una armadura. Los reticulados o armaduras se componen de elementos rectos dispuestos en forma triangular con uniones articuladas por pernos o remaches. Los perfiles son más esbeltos que los utilizados para vigas o pórticos y además sus barras soportan generalmente esfuerzos de tracción o compresión.

.. .. .. . . . . .. . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..

Reticulado

Armadura Tridimensional

.. .. ..

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Para diseñar un reticulado se parte de un sistema de tres barras articuladas que forman un triangulo (la forma del triangulo puede ser cualquiera).

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Luego se va adicionando cada dos barras que van formando también figuras triangulares con uniones articuladas.

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Luego se va adicionando cada dos barras que van formando también figuras triangulares con uniones articuladas.

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Finalmente al conjunto de barras se coloca las restricciones necesarias para estar en equilibrio estático.

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Finalmente se verifica el reticulado considerando la siguiente fórmula: b= 2n-r b=7 (número de barras) n=5 (número de nudos) r=3 (número de reacciones)

7=2*5-3 7=7

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Los reticulados a su vez se clasifican en: Reticulados simples

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Los reticulados a su vez se clasifican en: Reticulados compuestos

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VISTA LATERAL DERECHA

VISTA FRONTAL Arco Parabólico

5m 5m d) Arcos. Son elementos lineales curvos cuya trayectoria están definidas por una ecuación. 1m 1m 2m

1m

2m 8m

10m

10m

10m

10m

VISTA EN PLANTA 6m

VISTA TRIDIMENSIONAL

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Los arcos a su vez se clasifican en:

Arcos circulares

Arcos parabólicos

Arcos elípticos

Arcos trigonométricos

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d) Sistemas de Cables. Están formados por un conjunto de cables de naturaleza flexible cuya función es soportar cargas a tracción. Véase el siguiente ejemplo.

Sistemas de cables

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e) Celosías. Son estructuras formadas por elementos de sección compuesta que contienen dos o mas cordones de piezas simples, unidas o enlazadas entre si mediante celosías cuya función es la incrementar la rigidez de los cordones simples. Véase el siguiente ejemplo.

Celosía de dos cordones

Celosía de tres cordones

Celosía de cuatro condones

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Cables

TORRE ATIRANTADA PARA ANTENAS DE TELECOMUNICACION

Detalle de la Celosía

Celosía

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OTRAS CLASIFICACIONES -Estructuras Lineales

- SEGÚN LA FORMA DE IDEALIZACIÓN

-Estructuras Superficiales

- SEGÚN SU GRADO DE RESTRICCIÓN

-Estructuras Isostáticas

- SEGÚN SU CONDICION CINEMÁTICA

-Estructuras Estáticas

-Estructuras Volumétricas

-Estructuras Hiperestáticas

-Estructuras Cinemáticas

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OTRAS CLASIFICACIONES -SEGÚN LOS EJES DE REFERENCIA

-Estructuras Bidimensionales

- SEGÚN LA CONDICION DE SU CARGA

-Estructuras de carga estática

- SEGÚN SU EXPOSICIÓN

-Estructuras Tridimensionales

-Estructuras de carga móvil -Estructuras expuesta a condiciones normales

-Estructuras expuesta a condiciones críticas

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OTRAS CLASIFICACIONES -Estructuras de Madera

- SEGÚN SU MATERIAL

-Estructuras de Acero -Estructuras de Hormigón

-Estructuras de materiales mixtos -Estructuras habitacionales -Estructuras Viales

- SEGÚN SU EMPLEO

-Estructuras Hidráulicas

-Estructuras Monumentales -Estructuras Complementarias

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7.-TIPOLOGIA DE LOS ELEMENTOS F a) Tirantes o Tensores. Son miembros estructurales sometidos únicamente a fuerzas de tracción. Debido a la naturaleza de sus cargas, estos miembros son esbeltos y en algunos casos flexibles.

s

s

F

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b) Columnas o Soportes. Son elementos generalmente verticales que están sometidas a grandes fuerzas de compresión acompañado algunas veces de efectos de flexión. F F

M

s

s

F Compresión Simple

s

s

M F Compresión + Flexión

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c) Puntales. Son elementos verticales o inclinados sujetos solo a compresión axial. La intensidad de este efecto es inferior al de las columnas y por lo tanto son menos robustas que las columnas.

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d) Flexores. Estos elementos son usualmente piezas rectas colocadas horizontalmente, sin embargo pueden llegar ha aceptar pequeñas pendientes. Este tipo de piezas son utilizados principalmente para soportar cargas verticales, las cuales producen efectos de flexión. Véase la siguiente figura

F

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e) Mensulas. Son vigas en voladizo de pequeña longitud que sirven de apoyo para otros tipos de elementos estructurales. Véase el siguiente ejemplo.

Mensula de Acero

Mensula de concreto

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8.-TIPOLOGIA DE LOS MATERIALES Los materiales mas utilizados en la construcción de estructuras son los siguientes:

- Concreto - Acero - Madera

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ACERO Ventajas

-

Su alta resistencia permite cubrir grandes luces Es un material elástico por excelencia Tiene buena soldadura Es de rápida ejecución o montaje Es un material dúctil Permite reemplazar piezas que están dañadas Es un material durable cuando tiene un mantenimiento adecuado - Es un material moldeable apto para piezas prefabricadas

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ACERO Desventajas -En caso de incendio, las elevadas temperaturas disminuyen considerablemente su resistencia

- Presenta un costo de mantenimiento elevado porque requiere de un pintado periódico para evitar la oxidación.

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CONCRETO

Ventajas -

Es un material que generalmente es preparado en obra Es moldeable, puede admitir diversas formas Resiste muy bien los efectos de compresión Es resistente a las elevadas temperaturas Es resistente a los agentes climatológicos No requiere de mantenimiento Permite combinarse con el acero para mejorar su resistencia a tracción y flexión

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CONCRETO Desventajas - Resiste muy poco los efectos de tracción y flexión - No es un material homogéneo - Su máxima resistencia es alcanzada a los 28 días de su fabricación - Es el material más poroso de los mencionados - Su fabricación requiere de obra de mano calificada - Requiere de un tratamiento posterior a su fabricación para evitar perdidas de resistencia o fisuras

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MADERA Ventajas

-

Es el único material con el cual se puede construir íntegramente una vivienda. Tiene una gran resistencia con relación a su peso Es de baja densidad Es un material altamente trabajable Se encuentra abundante en la naturaleza

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MADERA

Desventajas - Es un material muy combustible - No es homogéneo - Es fácilmente atacado por microorganismo - Es susceptible a los agentes climatológicos - Requiere un costo considerable de mantenimiento

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9.-IDEALIZACIÓN

La idealización consiste en expresar gráficamente las partes de un sistema estructural de un modo simplificado, tal que su comportamiento sea fácilmente analizado. Esta idealización tiene como principio general que al ser algunas dimensiones de la estructura pequeñas en comparación a otras, estas pueden llegar a ser despreciables durante el análisis.

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IDEALIZACIÓN DE BARRAS

Al ser la longitud “L” mucho mayor a las distancias “h”, “b” y “e” comportamiento de esta pieza de acero se puede resumir en una línea recta de longitud “L” que pasa por el baricentro de la sección. Véase la siguiente figura.

L

Barra Real

L

Barra Idealizada

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IDEALIZACIÓN DE UNIONES O NUDOS Unión articulada.

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Unión rígida.

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IDEALIZACIÓN DE APOYOS

Pernos de anclaje

Placa de Fundación Apoyo empotrado Ideal

Macizo de Hormigón Apoyo empotrado Real

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Apoyo articulado Ideal

Macizo de Hormigón Apoyo articulado Real

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IDEALIZACIÓN DE CARGAS Carga Puntual. Cuando las cargas se transmiten a través de una superficie cuyas dimensiones son muy pequeña en comparación a la longitud de la barra sobre la cual actúan, estas se idealizan como fuerzas puntuales, es decir aplicadas en un punto. Véase los siguientes ejemplos. 80Kg L/2

L/2

L/2

80Kg

L/2

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Otro ejemplo

110Kg 110 Kg

3L/4

L/4

3L/4

L/4

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Carga Distribuida Rectangular. Cuando las cargas se transmiten uniformemente a traves de una superficie de cuyas dimensiones existe una que es considerable en comparacion a la longitud de la barra sobre la cual actuan, estas se idealizan como fuerzas distribuidas rectangulares, es decir aplicadas sobre una linea recta. Vease los siguientes ejemplos.

q

L L

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q

L L

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Carga distribuida Triangular Cuando las cargas se incrementan linealmente a lo largo de una barra de acero a traves de una superficie de cuyas dimensiones existe una que es considerable en comparacion a la longitud de la barra sobre la cual actuan, estas se idealizan como fuerzas distribuidas triangulares, es decir de forma triangular y aplicadas sobre una linea recta. El mejor ejemplo de este tipo de carga son las presiones hidrostatica que pueden ejercer los fluidos, veamos el siguiente ejemplo.

Nivel del Suelo