CAPITULO 1 TIPOLOGIA GENERAL DE ESTRUCTURA...

Capitulo 1. Tipología general de estructuras metálicas

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CAPITULO 1

TIPOLOGIA GENERAL DE ESTRUCTURA METÁLICAS


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Contenido Capitulo 1. Tipología general de estructuras metálicas ............................................ 3

1.1 Definiciones .................................................................................................... 3 1.2 Ventajas e inconvenientes de las estructuras metálicas .................................. 4 1.3 Cerchas ........................................................................................................... 6 1.4 Pórticos ......................................................................................................... 13 1.5 Estructuras de Edificios de varias plantas .................................................... 28 1.6 Esquema de diseño de estructuras de acero .................................................. 45


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1.1 Definiciones

Estructura: Combinación ordenada de partes unidas proyectada para proporcionar cierta rigidez. Este término se refiere a aquellas partes sometidas a una carga. Mecanismo: Conjunto de elementos resistentes unidos entre si que pueden transmitir movimiento. La movilidad es el número de grados de libertad que tiene el mecanismo. Estructura isostática: Solamente aplicando las ecuaciones de la estática es posible calcular las reacciones. Estructura hiperestática: No es posible calcular las reacciones únicamente aplicando las ecuaciones de la estática. El grado de hiperestaticidad se define como el exceso de incógnitas con respecto al número de ecuaciones de equilibrio. Pórtico: Parte de una estructura que consta de un conjunto de elementos estructurales unidos directamente y calculados para resistir la carga conjuntamente. Este término se refiere tanto a los pórticos con uniones rígidas como a los triangulados. Cubre los pórticos planos y tridimensionales. Pórticos semicontinuos: En los cuales las propiedades estructurales de las uniones necesitan, en el análisis global, una consideración explicita. Pórticos continuos: En los cuales, en el análisis global, sólo es necesario considerar las propiedades estructurales de las piezas. Pórticos simples: En los cuales, no se requieren uniones para resistir momentos. Análisis global: La determinación de las solicitaciones (esfuerzos y momentos internos) que equilibran las acciones que actúan sobre la estructura. Longitud de pandeo: Longitud del sistema equivalente formado por una pieza similar articulada en sus extremos, con la misma resistencia a pandeo que la pieza dada. Barra: Cada uno de los elementos lineales que componen la estructura. Cada barra vendrá definida por una serie de características, como son, el material del que está formada, el área de la sección transversal, momentos de inercia con respeto a sus ejes, módulo de torsión, longitud, inclinación con respecto a los ejes principales, y posición en el espacio.


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Nudo: Extremidades de cada una de las barras. Estados límites últimos: Son aquellos estados de carga que están asociados con el colapso o con otras formas de fallo estructural que puedan poner en peligro la seguridad de las personas (e.g. pérdida de equilibrio de la estructura o cualquier parte de ella. Rotura o pérdida de estabilidad de la estructura en cualquier parte) Estados límites de servicio: Estados tras los cuales dejan de cumplirse los criterios de servicio especificados(e.g. deformaciones o flechas que afectan a la apariencia o al uso previsto de la estructura, incluyendo el mal funcionamiento de máquinas o servicios. Deformaciones que puedan causar daño a los acabados o elementos no estructurales. Vibración que cause incomodidad a las personas o pueda dañar al edificio o su contenido). Rótula: Unión entre dos elementos de tipo barra que permite el giro, pero no el desplazamiento, entre estos (por lo tanto la rótula no trasmite momento pero si cortantes y axiles).

1.2 Ventajas e inconvenientes de las estructuras metálicas

VENTAJAS DEL ACERO Alta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso, permite estructuras relativamente livianas, lo cual es de gran importancia en la construcción de puentes, edificios altos y estructuras cimentadas en suelos blandos.

Homogeneidad: las propiedades del acero no se alteran con el tiempo, ni varían con la localización en los elementos estructurales.

Elasticidad: el acero es el material que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico (Ley de Hooke) hasta alcanzar esfuerzos considerables.

Precisión dimensional: los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección. Hoy en día las viga armada compuesta por platabandas de inercia constante o inercia variable también se fabrica con gran precisión y garantía de calidad.

Ductilidad: el acero puede soportar grandes deformaciones sin rotura del material. Esto permite al usuario de la estructura y a los técnicos competentes tomar las medidas oportunas(evacuación, apuntalamiento, refuerzos..) antes de que la estructura colapse por completo.

Tenacidad: el acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en deformación, lo que le permite a la estructura sufrir impactos (de maquinaria,


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vehículos, etc) sin que sufra daño alguno. En caso de que sea necesario sustituir la zona afectada, los costes que implica no son excesivamente altos.

Facilidad de unión con otros miembros: el acero en perfiles se puede conectar fácilmente a través de remaches, tornillos o soldadura con otros perfiles y otros materiales.

Disponibilidad de secciones y tamaños: el acero se encuentra disponible en perfiles para optimizar su uso en gran cantidad de tamaños y formas. Además es posible hacer vigas y pilares de inercia variable de modo que se adapten al diagrama de momentos de la estructura optimizando así el coste y el volumen ocupado por la estructura.

Costo de recuperación: las estructuras de acero de desecho, tienen un costo de recuperación en el peor de los casos como chatarra de acero.

Reciclable: el acero es un material 100 % reciclable además de ser degradable por lo que no contamina.

Permite ampliaciones, reparaciones y reformas fácilmente: el acero permite modificaciones y/o ampliaciones en proyectos de manera relativamente sencilla. Adaptándose con facilidad a cambios en cargas o en su geometría.

Se pueden prefabricar estructuras: el acero permite realizar la mayor parte posible de una estructura en taller y la mínima en obra consiguiendo mayor exactitud y calidad. De modo que en obra únicamente se realice la unión de las piezas mediante tornillos.

DESVENTAJAS DEL ACERO

Corrosión: el acero expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que deben recubrirse siempre con esmaltes anticorrosivos exceptuando a los aceros especiales como el inoxidable.

Calor, fuego: Aunque el límite elástico del acero se mantiene constante hasta los 400ºC, el módulo de elasticidad empieza a bajar a partir de los 100ºC. En el caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por las estructuras haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente, debiendo protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes) como mortero, concreto, asbesto, etc.

Pandeo elástico: debido a su alta resistencia/peso el empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo que en ocasiones no son económicos las columnas de acero.

Fatiga: la resistencia del acero (así como del resto de los materiales), puede disminuir cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos (cargas pulsantes y alternativas).


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Ruido: La transmisión de ruido en estructura metálicas es mayor que en estructuras de hormigón. Si se da un golpe en una parte de la estructura esta transmite con facilidad el ruido al resto de las plantas.

1.3 Cerchas

Esta fue la primera tipología de estructura que fue utilizada para salvar grandes luces y que todavía se utiliza en la actualidad. Aunque para vigas de canto inferior a 1m (aproximadamente) se ven sustituidas mayormente por las vigas de alma llena que a pesar de tener un mayor peso tienen menor coste de mano de obra. La cercha es utilizada también como arriostrado o vigas de contraviento. Una evolución de las cerchas son las celosías espaciales, que a diferencia de las cerchas (soportan cargas sólo en un plano de trabajo) pueden soportar cargas en dos o más planos trabajo ortogonales. Tienen aplicación para cubrir grandes recintos sin pilares interiores, antenas, torres de electricidad. Las cerchas constan de: - Dos elementos longitudinales llamados “pares”, sometidos a flexocompresión, que forman las aguas y sobre los cuales se apoyan las correas que sirven de soporte para el material de cubrición. Estos pares forman el “cordón superior” - Elementos intermedios situados en el alma de la viga y perpendiculares a los cordones. “Montantes” - Elementos intermedios situados en el alma de la viga e inclinados respecto a los cordones. “Diagonales” - Elemento inferior horizontal sometido a tracción “Tirante” ó “cordón inferior” - Punto de unión entre dos barras denominado “Nudo”. - La cercha puede llevar una triangulación secundaria cuya misión consiste en acortar longitudes de pandeo de barras que trabajen a compresión o reducir la flexión en posiciones donde se encuentren colocadas cargas puntuales. La siguiente figura muestra una cercha fabricada en dos partes(para facilitar el transporte) con una unión en el cordón superior, unión en una diagonal y unión en el tirante. El “tacón de la cercha es de 1981mm. En esta cercha tipo Pratt se puede ver una triangulación secundaria formada por pequeños montantes que parten la luz de las diagonales mayores. Estos montantes han sido colocados principalmente, no para partir la luz de las diagonales, sino para poder situar importantes cargas puntuales en determinados puntos del tirante.


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En los nudos, para minimizar los momentos secundarios, deben confluir en un mismo punto las líneas neutras del cordón, diagonal y montante. También es conveniente que la inclinación de las piezas del alma de la celosía esté comprendida entre 30º y 60º para no complicar la ejecución de los nudos y minimizar momentos secundarios. Las tensiones secundarias son causadas por:

- Excentricidad de las uniones - Cargas aplicadas entre los nudos de la celosía - Momentos ocasionados por uniones rígidas y de flexión de la celosía

Los extremos de las cerchas se pueden apoyar sobre pilares o sobre muros materializando un apoyo articulado. Sobre los pares de la cercha se sitúan, perpendicularmente a estas, las correas cuya separación entre ellas se decidirá en función del material de cobertura, formando así la estructura de la nave. Las correas transmiten al par de la cercha carga vertical. La correa, dada la forma de apoyo sobre el par inclinado, se encuentra sometida a flexión en sus dos ejes principales.

Las cerchas en caso de estar colocadas una a continuación de la otra se podría situar una unión entre ellas formando una “Cercha continua” (por analogía con una viga continua). En tal caso el canto en el apoyo de la cercha deberá ser mayor o igual que en el centro de la cercha (contrario a lo representado en la figura 1.1) ya que es en el apoyo donde tendríamos un momento negativo importante.

El cálculo de la cercha se realizará mediante un sistema matricial de barras rígidamente unidas entre si. De este modo se obtienen con exactitud los momentos, desplazamientos y giros a los que están sometidos todas las barras que componen la celosía. En cuanto al pandeo de las barras debe tenerse en cuenta que:

- En general la longitud de pandeo lk de los cordones y de los montantes y diagonales en el caso de pandeo perpendicular al plano de la triangulación, será igual a la longitud de las piezas l, salvo que se justifique adecuadamente un valor menor.

2 0 .3 6 1

2 3 .2 5 0

1 .6 6 6

1 8 .7 1 7

1 7 .2 7 3

1.98

1

HEB 300

HE

B 220

HE

B 2

20

U N IO N

HEB 220

U N IO N

UNION

HE

B 2

20

HEB 3

00

HE

B 2

20


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- La longitud de pandeo de los montantes y diagonales en el caso de pandeo en el plano de la estructura, puede ser menor que la longitud de la pieza, siempre que los cordones y sus uniones a ellas proporcionen un empotramiento apropiado y que las uniones de los extremos tengan un grado de fijación suficiente (al menos dos tornillos en caso de uniones atornilladas). En estas condiciones puede tomarse como longitud de pandeo en el plano de la cercha l9.0 . Excepto en el caso de angulares simples

- En el caso de montantes y diagonales solicitados a compresión a base de angulares se aplicará el apartado 5.8.3 del Eurocódigo 3.

En función de las solicitaciones a las que se encuentre sometida la cercha y al aspecto estético que se le pretenda dar, sus barras estarán formadas por angulares (simples formando una L ó dobles formando una T), UPN( una simples o dos en cajón), tubo rectangular o redondo, IPE, HEB, HEA...etc.

Es importante tener presente a la hora del diseño que, como en toda viga, cuanto más separado esté el eje del cordón superior del eje del cordón inferior mas resistirá el perfil que hemos colocado y menor será la deformación de la cercha.

En las siguientes figuras se muestran algunos detalles de nudos en cerchas.

Nudo en K, N, T, X y KT son descripciones abreviadas para los tipos de uniones o nudos representados en las figuras anteriores.

CHS. Es abreviatura de Sección Hueca Circular.

RHS. Es abreviatura de Sección Hueca Rectangular, que incluye también, en este contexto, a una sección hueca cuadrada.

El montaje de una cercha como la de la fig. 1.1 se realiza puede realizar de dos modos.


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1. Se arma la cercha en el suelo colocándola sobre un terreno nivelado y uninedo las dos partes de la cercha. A continuación con dos grúas una por cada extremo (dada su longitud) se realiza el izado y sujeción de la pieza.

2. Se arman dos cerchas en el suelo y se montan elementos perpendiculares a estas (por ejemplo las correas) para que permita mantener la separación entre ellas y se suben de dos en dos con todas las correas puestas y demás elementos situados entre ellas. El izado del conjunto se puede también realizar con dos grúas.

Las siguientes figuras muestran detalles de uniones en celosías planas que emplean perfiles huecos combinados entre si o con perfiles laminados.

El refuerzo de nudo con cartelas es consecuencia de la incapacidad del cordón para resistir por sí los esfuerzos transmitidos por las diagonales y montantes.

Nudos de perfiles huecos soldados directamente

Nudos con cartela

Nudos sin cartela de celosías de perfiles laminados y huecos


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Nudo con cartela de celosías de perfiles laminados y huecos

El cruce de barras sólo es aconsejable si las barras tienen igual sección. No es recomendable el aplastamiento de los extremos de una o de dos barras en su punto de cruce, por disminuir el momento de inercia.

Para empalmar los perfiles huecos, ya sean circulares o rectangulares, debe meterse por el interior un tubo de menor diámetro para recoger el cordón de raíz.

A la hora de diseñar debe de tenerse en cuenta que:

a. Edificación

1. No es siempre económico que cada elemento sea de tamaño diferente. El calculista debe racionalizar las dimensiones y poner no más de dos o tres secciones diferentes en las celosías de vano corto.

2. Conviene que las dimensiones no sean demasiado grandes (mayores de 17m) para evitar los daños durante el transporte y el montaje. Longitudes superiores a 17.5m requieren un transporte especial con coche piloto.

3. Las celosías grandes se transportan divididas en partes. En la obra se arman con uniones atornilladas.


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b. Puentes

1. El valor óptimo de la relación vano-canto depende de la magnitud de la

sobrecarga que vaya a soportar. Debe ser del orden de 10, siendo mayor para circulación de carretera que para ferrocarril. (Para la carga ferroviaria con vías en dos sentidos la relación se reduce a 7,5). Pero siempre hay que comprobar el canto económico de cada puente.

2. El número de luces debe ser par para adecuarse a la configuración de los

jabalcones. Si se elige un número impar, el vano central tendrá riostras en cruz. Esto no suele ser deseable, salvo quizá en el centro de un puente giratorio. El ángulo de las diagonales debe ser entre 50 y 60° respecto a la horizontal.

3. Los elementos principales deben ser de acero de calidad 355, dejándose la calidad 275 y 235 para los elementos que sólo tengan carga nominal, a no ser que se construya la celosía en un país donde sea difícil conseguir acero de alta calidad. En una celosía calculada con acero de calidad 355, la cantidad de acero de calidad 275 es normalmente el 7%.

4. Deben entenderse a fondo los problemas a que se enfrenta el personal de mantenimiento del puente. Se evitarán los detalles donde pueda recogerse el agua de lluvia, polvo y escombros. Todas las partes expuestas deben ser plenamente accesibles para pintarlas. Las secciones de cajón son fáciles de pintar, pero las tubulares laminadas dejan recovecos en la unión con las cartelas, a menos que sean soldadas.

Como resumen de este apartado podemos indicar los siguientes puntos

1. Las celosías son elementos importantes de la edificación, donde su papel es soportar cubiertas y forjados y aportar arriostra-miento.

2. Las celosías de puentes son económicas en vanos de 30 m a 200 m. Se pueden formar con piezas pequeñas y tienen ventajas especiales cuando el acceso a la obra es difícil.

3. Generalmente las celosías son determinadas estáticamente. Hágase un configuración sencilla con un mínimo de elementos y uniones.

4. Evítense las cargas y uniones excéntricas para reducir momentos secundarios.

6. En los puentes y algunos elementos de edificios debe estudiarse la fatiga.

7. Tiene particular importancia la configuración de los elementos y el cálculo cuidadoso de las uniones.


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8. Evítese que haya zonas donde pudiera producirse corrosión de toda la estructura de acero expuesta.

Las siguientes figuras muestran ejemplos típicos de aplicación de estructuras en celosía.


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1.4 Pórticos

El esquema general de una nave porticada es el siguiente.

La función principal de una nave es crear una superficie cerrada aislada del ambiente exterior y con el espacio interior suficiente amplio y para poder desarrollar con comodidad la actividad que se pretenda. Por otro lado la estructura tiene que estar dimensionada para que pueda soportar las cargas meteorológicas, sísmicas y las provocadas por la actividad que en su interior se desarrolle.

Las “correas” tienen la misión de recoger las cargas de la cubierta y de la fachada y llevarlas al pórtico. Las “correas” son elementos longitudinales que se montan a lo largo de la cubierta y de la fachada (si procede). Estas pueden ser de perfil en forma de I, Z ó C. Normalmente las más usadas son con forma de Z y su material es acero galvanizado ya que su espesor no suele pasar de 3mm. La fabricación de estas Z es mediante conformado en frío. El motivo de que el perfil más usado sea la Z es la facilidad que presenta para realizar una viga continua. La continuidad se consigue traspasando un perfil en Z sobre el otro en el apoyo del pórtico o colocando un suplemento. Ambos métodos “suplemento” o “traspaso” permiten

Correas de cubierta

Correas de fachada

Marco de puerta

Canalón

Arriostrado de cubierta

Arriostrado de fachada

Pilar de pórtico

Dintel de pórtico


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disponer en la zona del apoyo doble espesor de correa para soportar el mayor momento que ahí se produce.

Una buena práctica para reducir el coste de la estructura consiste en reducir la distancia del primer vano (separación entre primer y segundo pórtico y entre penúltimo y último) a 0.8.L siendo L las separación entre pórticos interiores. Esto permite aproximar el momento que se produce en el primer vano con el momento que se produce en el segundo vano de este modo es posible colocar el mismo canto y el mismo espesor de correa en toda la cubierta de la nave. Esto mismo es aplicable al diseño de la viga carril. Si se reduce la separación del primer vano se reduce el peso y la deformación de la viga carril permitiendo utilizar menos material.

Las siguientes figuras muestran la envolvente de momentos para una correa continua en una nave de 50m de longitud en la que se ha considerado una carga de cubierta de 20kg/m2 y 80kg/m2 de carga de nieve. En la primera figura los pórticos cinco pórticos están separados a 10m y en la segunda figura los tres pórticos interiores están separados a 10.87m y los finales a 8.70m. En ambos casos la separación entre correas es 1.70m

Como se puede ver en la primera figura el momento del primer vano es 1672kg.m , el momento del primer apoyo es 2997kg.m. En cambio en el segundo vano es de 624kg.m y en el segundo apoyo de 2097kg.m

Por el contrario en la segunda figura vemos como todos los vanos presentan un momento muy similar entorno a 1071kg.m al igual que los apoyos entorno a 2656kg.m.


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Ambos momentos, el de vano y el de apoyo, son menores en el segundo caso que en el primero y además muy similares en todos los vanos esto permite economizar acero y rendimientos de fabricación.

La siguiente figura muestra un apoyo sobre pórtico con correa en continuidad mediante traspaso.

El traspaso es el modo mas adecuado de dar continuidad a la correa dado que, además de ser una solución fácil de ejecutar, tiende a enderezar la correa que por su forma geométrica (un eje mucho mas fuerte que el otro), en cuanto se colocan en correa o en fachada, flechan en su eje débil. Para cortar la longitud de vano en el eje débil se pueden colocar unas “tirantillas”, piezas de redondo o angular de acero, que sirven para compensar la carga, según el eje débil de la correa, de un faldón de la cubierta de la nave con el otro. Estas tirantillas también es posible colocarlas en fachada pudiéndose apoyar la inferior en un muro ó zócalo (en este caso todas las tirantillas estarían trabajando a compresión) o amarrando la superior a una viga o un angular del dintel de la cubierta. La siguiente figura ilustra un ejemplo.


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El pórtico es un sistema estructural formado por pilares y vigas que trabajan en conjunto recogiendo las reacciones de las correas y llevando las cargas finales resultantes a la cimentación.

Dado que el pórtico está habitualmente formado por piezas en I tienen, al igual que estas, un eje fuerte y un eje débil. El pórtico se dimensiona para resistir los esfuerzos que cargan en su plano, es decir, según su eje fuerte. Sin embargo, dado que el viento y otras acciones pueden actuar también según el eje débil del pórtico es necesario colocar un arriostrado que resista estos esfuerzos (principalmente de viento y acción longitudinal del puente grúa).

La variedad que se puede presentar en pórticos es muy alta pero atendiendo a su vinculación con la cimentación podemos clasificar los pórticos en empotrados o articulados. Los pilares articulados se diferencian de los empotrados (entre otras cosas) por su geometría, recta para pilares empotrados y variable para pilares articulados. Esto no quiere decir que no pueda haber pilares rectos, que por su forma de solucionar el apoyo con la cimentación, materialice un apoyo articulado.


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En las siguientes figuras se pueden ver diferentes tipologías para pórticos de naves industriales.

PORTICO ARTICULADO

Este tipo de pórtico articulado se usa normalmente para luces inferiores a 25m. Como se puede ver el pilar el de inercia variable encontrándose la mínima inercia en la parte inferior del pilar para facilitar la articulación con la cimentación. El dintel está formado por dos piezas también de inercia variable unidas en cumbre y en cabeza de pilares mediante unión atornillada. El plano de la unión entre dintel y pilar es horizontal para facilitar el montaje del dintel. Las dos piezas del dintel se arman en el suelo atornillando la unión de cumbre, a continuación se sube (con


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grúa) la pieza sobre los pilares montados previamente y se aprietan las dos uniones restantes.

El dintel se hace en dos piezas porque para luces inferiores a 25m cada pieza del dintel no suele sobrepasar de 12.6m (en función de la pendiente) con lo que es fácilmente transportable y esta geometría se ajusta bastante bien al diagrama de momentos.

El siguiente pórtico articulado se utiliza normalmente para luces mayores de 25m. Puesto que si se hiciese el dintel en dos piezas, sus longitudes ya son menos manejables cara a transporte. Además la parte central del dintel se hace de constante para ajustarse mejor al diagrama de momentos, puesto que como podemos ver en la figura anterior el momento mayor se da en el punto de unión del dintel con el pilar, luego va disminuyendo hasta llegar a un mínimo que prácticamente se mantiene constante hasta cumbrera.


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El dintel está dividido en cuatro piezas que se armarán(unirán) en el suelo mediante las uniones U2 y U3, para subir el conjunto del dintel de una sola pieza sobre los pilares uniéndose a estos a través de U1 (todas las uniones son atornilladas).

Para evitar el costo excesivo que representan las articulaciones realizadas con bulones, se realizar semiarticulaciones. Para ello se estrecha el pilar en el sentido perpendicular al eje de giro y se disponen dos pernos en este mismo eje y si éstos no son suficientes se ponen cuatro o incluso seis lo más próximos posibles para que soporten un momento mínimo.

Solera

0,1

85

0.1

50

de limpieza 10 cm.Hormigón pobre

0,00-0,150

0.0

70

Anclaje

Pilar

DETALLE DE ZAPATA Y ANCLAJE

185

mm

50m

m*

-0,150

* 50mm o cota de nivel determinada.

Nivel

Detalle 3.3.3

DETALLE DE ANCLAJE

Pilar

Chapabase

Perno de redondo corrugado B 500S*

* Normalmente Ø25 mm,puede ser de otros diámetros.

* Normalmente M 24.Rosca *

Tuercanivelación.

Arandela 50x50

Arandela 50x50

Tuercaapriete


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Normalmente la parte inferior de las barras en un pilar articulado trabaja con tensiones bastante bajas lo que le permite soportar (sin llegar a la plastificación) pequeños momentos introducidos por la falta de perfecta una perfecta articulación. Podemos incluso decir que esta semiarticulación beneficia al comportamiento del pórtico articulado puesto que, al introducir un pequeño momento en la base, reduce desplazamientos horizontales del pórtico y reduce momentos en la parte superior del pilar, punto donde se halla la unión pilar-dintel.

El siguiente pórtico llamado pórtico múltiple se aplica en naves adosadas de luces no muy grandes, (normalmente menores de 35m) tiene la ventaja de sacar fuera todas las aguas de cubierta no precisando línea de evacuación de aguas pluviales por el interior de la nave y minimizando el riesgo de goteras. Por el contrario tiene el inconveniente que a medida que se vaya incrementando el ancho de la nave se pierde altura libre en las naves de los extremos. Por ejemplo para el caso de tres naves de 35m de luz y pendiente del 7% perdemos una altura desde cumbrera de 3.68m. Por este motivo a estas naves se les da la menor pendiente que permita el tipo de cubierta que se coloque.

En cubiertas Deck la pendiente puede llegar a ser casi plana, entre 1% y 3%.

En cubiertas de panel la pendiente mínima debe ser un 5%. Aconsejándose en caso de tener que hacer solape transversal un 7%. En estas naves el solape transversal será casi obligado puesto que la máxima longitud aconsejable de panel es 12m (longitudes mayores lo hacen incómodo de manejar para el montaje), y dado que tendremos sólo dos aguas para varias naves adosadas de luz supuestamente mayor de 12m. En cada faldón de cubierta habrá que poner más de un panel para cubrir su longitud.

En paneles el solape transversal se materializa cortando la chapa inferior y el aislante del panel superior, un mínimo de 20cm para pendientes inferiores al 15% y 15cm para pendientes superiores al 15%, solapando la chapa superior del panel superior sobre la chapa superior del panel inferior y sellando la junta. Las siguientes figuras muestran el esquema de un solape transversal y el orden de montaje de los paneles.


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Para cubierta de chapa hasta onda 40 podemos aplicar lo mismo que para panel.

PORTICO MÚLTIPLE DE TRES CRUJIAS

También se recuerda que el Eurocódigo 3 dice que para asegurar la correcta evacuación del agua de lluvia de un tejado plano o casi plano, se debe comprobar que todos los tejados sean diseñados con una pendiente no menor del 5% para que el agua no se acumule en charcos. En dicha comprobación, deben considerarse posibles imprecisiones de construcción y asientos de cimentaciones, flechas de los materiales de la cubierta, flechas de los distintos elementos estructurales y los efectos de contraflechas. Donde la pendiente del tejado sea menor del 3%, se

Ond

a de

cha

pa

Paso de la chapa

Ancho útil


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deberán realizar cálculos adicionales para comprobar que no se puede producir el colapso de la estructura debido al agua, ya sea acumulada en charcos formados a causa de las flechas de los elementos estructurales o de materiales de cubierta, o retenida por la nieve.

El pórtico múltiple suele tener articulados los pilares exteriores, lo que permite reducir cimentación, y empotrados los interiores para reducir desplazamientos horizontales.

El siguiente pórtico ilustra una estructura con pilares empotrados con la cimentación y articulados con la viga que constituye el dintel.

Este tipo de pórtico sólo es económicamente aceptable en naves de poca luz puesto que:

Pilares. Se desaprovecha mucho material en la cabeza puesto que trabajan como una ménsula empotrada en su extremo inferior.

Viga. Para luces grandes desperdicia mucho material en el alma puesto que para conseguir una pendiente aceptable (mayor del 5%) necesitamos aumentar mucho el canto de la viga.

Cimentación. Se penaliza mucho puesto que todo el momento provocado por el esfuerzo de viento va a parar a la cimentación a través de la ménsula que constituyen los pilares.


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En la siguiente figura se ve la envolvente de su diagrama de momentos.

Los pórticos empotrados son usados cuando la estructura que se obtendría con una nave articulada tuviera desplazamientos horizontales superiores a los permitidos. Recordamos que según el Eurocódigo 3 el valor máximo, para flechas horizontales en el extremo superior del pilar de estructuras porticadas, es de h/150, siendo h la altura del pilar.

Con el pórtico empotrado se obtiene una estructura con menos desplazamientos que con un pórtico articulado y un peso de acero similar. A cambio aumenta la cimentación puesto que el pórtico articulado transmite a la cimentación un momento mínimo mientras que el empotrado transmite un momento importante.

Las estructuras que llevan puente grúa normalmente siempre se diseñan con pórtico empotrado puesto que las reacciones que el puente transmite a la estructura le puede provocar desplazamientos considerables.


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PORTICO EMPOTRADO CON MÉNSULAS PARA PUENTE GRÚA

TIPICO DIAGRAMA DE MOMENTOS DE PORTICO EMPOTRADO CON MÉNSULAS PARA PUENTE GRÚA


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Como se puede ver en el diagrama de momentos del pórtico empotrado los puntos del pilar sometidos a mayor momento están en la parte superior del pilar o en la parte inferior (normalmente en la inferior). Por ese motivo se penaliza la cimentación.

Por supuesto el pórtico no es exclusivo de las naves industriales. El pórtico de tamaño y complejidad variable es la forma más frecuente de construir estructuras de acero. Aunque su aplicación más obvia es en edificios, armaduras de puentes, plataformas petrolíferas, también es muy útil en andamiajes y naves industriales como ya se ha podido ver. En la siguiente figura vemos una estructura porticada típica de edificación. La cubierta y los forjados transmiten las cargas verticales por flexión y cizalla a los pilares, que a su vez las descargan en los cimientos ejerciendo esfuerzos de compresión, flexión y cizalla. La carga horizontal, es decir, viento y sismo, también debe transmitirse a los cimientos, y según la geometría del pórtico y la magnitud relativa de las cargas horizontales y laterales, pueden originar tracción en algunos pilares, y tirar de los cimientos hacia arriba. Ese es un caso que se presenta con mucha frecuencia en estructuras de naves industriales en las cuales es peso de la estructura más la cubierta es menor que la succión que provoca el viento en la cubierta. En general, la porticación tridimensional de un edificio puede dividirse en varios pórticos planos (en la figura anterior PORTICOA y PORTICO B). En el dimensionamiento de pórticos deberá comprobarse:

- Resistencia de las secciones trasversales - Resistencia de las piezas al pandeo - Resistencia de las uniones - Estabilidad global (Apartado 5.2.6 del Eurocódigo 3) - Equilibrio estático. Acciones estabilizantes/Acciones

desestabilizantes.


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Con el propósito de guiar en la elección del tipo de análisis idóneo en cada caso particular, el Eurocódigo 3 y el CTE han introducido la idea de clasificarlos pórticos, según dos criterios. Pórticos intraslacionales y pórticos traslacionales.

Se clasifica un pórtico como intraslacional cuando su respuesta a los esfuerzos horizontales contenidos en su plano es tal que sean despreciables las solicitaciones adicionales debidas a los desplazamientos horizontales de sus nudos. En caso contrario se considerará el pórtico como traslacional y, en su dimensionamiento se considerarán los efectos de los desplazamientos horizontales de sus nudos.

Se considerará un pórtico como intraslacional para un determinado estado de cargas, si, la relación VSd /Vcr para ese estado de cargas, satisface la condición:

1.0cr

Sd

V

V .siendo SdV el valor de cálculo de la carga vertical total y crV el valor

elástico crítico de la carga vertical total considerando un estado traslacional

Un pórtico puede considerarse arriostrado cuando su rigidez está asegurada por un sistema de arriostramiento de forma que su respuesta a cargas horizontales en su plano es suficientemente rígida para que se pueda considerar que todas las cargas horizontales son resistidas por el sistema de arriostramiento. Un pórtico metálico puede considerarse como arriostrado si la estructura de arriostrado reduce sus desplazamientos horizontales en, al menos, un 80%. Un pórtico arriostrado se considerará como intraslacional. Cuando el sistema de arriostramiento sea un pórtico o subpórtico, éste puede ser a su vez traslacional o intraslacional. Según el Eurocódigo la teoría de primer orden puede aplicarse a los pórticos intralacionales y algunos traslacionales que cumplen ciertos requisitos; y la de segundo orden, a los traslacionales. En ambos casos se han de considerar imperfecciones con objeto de realizar el cálculo sobre la estructura real en vez de hacerlo sobre la ideal. Se entiende por imperfecciones asientos diferenciales entre los nudeos de barras, curvaturas iniciales de las barras, desplomes de pilares..etc. Estas imperfecciones que afectan en gran medida a las estructuras traslacionales apenas influyen en las intraslacionales, pero si en los arriostramientos que hacen que lo sean. En el análisis elástico de primer orden se presume que la relación entre la carga aplicada F y la deformación (d) es lineal, y que el desplazamiento del pórtico no afecta al reparto de esfuerzos internos en el mismo. Por tanto, el pórtico se puede analizar según los principios de elasticidad lineal. El análisis plástico rígido de primer orden (o aplicación de la teoría plástica simple) desprecia el efecto de las deflexiones elásticas y presume que toda la deformación ocurre en partes discretas de la estructura, llamadas rótulas plásticas, donde se desarrolla la plasticidad. Cuando se aplica la teoría


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plástico-rígida sólo se atiende al estado de ruina. Este estado ocurre cuando se supone que se han formado suficientes rótulas plásticas para convertir la estructura en un mecanismo. Por eso no se considera el camino por el que se llega a esta fase, o sea, la secuencia de formación de rótulas y el reparto intermedio de las cargas. En el análisis elástico de segundo orden se tiene en cuenta el efecto de las deformaciones elásticas en el reparto interno de esfuerzos. Los efectos de segundo orden sobre los pórticos se pueden dividir en dos partes:

• reducción de la rigidez efectiva a la flexión de los elementos individuales, causada por la carga de compresión. • desestabilización debida al momento de vuelco producido por la acción de las cargas verticales a través de las deflexiones horizontales causadas por las cargas laterales.

Análisis rígido plástico de segundo orden. Si al formular el equilibrio del pórtico se introducen las deformaciones que podrían desarrollarse como consecuencia de la formación del mecanismo plástico de agotamiento, Teoría elasto-plástica de primer orden. Modifica el análisis elástico lineal introduciendo reducciones de la rigidez del pórtico al irse formando rótulas plásticas a la par que aumenta la carga aplicada. Se denomina Teoría elasto-plástica de segundo orden Si en el análisis que busca la formación de rótulas plásticas se incluye también el efecto de las deformaciones para construir las ecuaciones rectoras. La Teoría de segundo orden en zona plástica tiene en cuenta la propagación de la plasticidad por toda la sección y a lo largo del elemento, en vez de suponer que se concentra en las zonas deseables de las rótulas plásticas. Ofrece una representación aún más cercana al comportamiento real.

1.5 Estructuras de Edificios de varias plantas

Un edificio de varias plantas debe resistir los efectos combinados de las cargas horizontales y verticales. El sistema estructural del edificio se compone de cimientos, estructuras y losas del forjado. La estructura comprende pilares y vigas junto con arriostramientos horizontales y verticales que estabilizan el edificio resistiendo las acciones horizontales (cargas del viento y sísmicas). Las losas de forjado se apoyan mediante vigas de modo que las cargas verticales se transmiten a los pilares. Son de hormigón armado o mixtas con chapas de acero perfiladas. Normalmente los pilares son de perfiles en H o secciones huecas de acero laminado en caliente. La utilización de secciones huecas rellenos de


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hormigón puede mejorar su resistencia al fuego. Normalmente las vigas son de perfiles en I y en H. No obstante, la utilización de perfiles compuestos soldados puede ofrecer soluciones más racionales en algunos casos. Los sistemas estructurales habituales pertenecen esencialmente a dos categorías: sistemas de pórticos rígidos y sistemas arriostrados, siendo los segundos los más sencillos y, por tanto, la solución más económica. En las estructuras arriostradas, los arriostramientos verticales se forman mediante barras diagonales dentro de la estructura de acero. Estos arriostramientos puede tener formas diferentes (forma en X arriostrados transversalmente; formas en V o en V invertida; pórtico simétrico o asimétrico). Los muros o núcleos a cortante de hormigón armado son alternativas a los arriostramientos de acero. 247 Un edificio de varias plantas incluye los elementos estructurales siguientes :

a. cimientos b. estructura c. estructuras de forjado.

Los cimientos se realizan con hormigón armado. El tipo de cimentación se selecciona conforme a las características y condiciones del terreno. La estructura de acero proporciona resistencia a las cargas y soporta los elementos secundarios tales como la losa del forjado y cerramientos. Todas las cargas externas, tanto verticales como horizontales, son transmitidas a los cimientos por medio de la estructura de acero. Se compone principalmente de elementos verticales (pilares) y elementos horizontales (vigas), que pueden estar conectados de diferentes maneras. Según el grado de empotramiento de las conexiones viga-pilar, el armazón puede considerarse como “rígido”, “semirrígido” o “articulado”. En el caso de que sea articulado, el armazón deben incorporar elementos de arriostramiento . Las losas del forjado deben resistir las cargas verticales que actúan sobre ellas y transmitirlas a las viguetas en las que se apoyan. Transmiten asimismo las cargas horizontales a los puntos del armazón donde están situadas las barras de arriostramiento. La disposición estructural de los edificios de varias plantas a menudo se inspira en la forma de la planta del edificio, dando como resultado soluciones diferentes. Los pilares tienen como misión la transmisión de cargas verticales a la cimentación. Las secciones huecas circulares y cuadradas presentan la ventaja de que tienen la misma resistencia en las dos direcciones principales, lo que permite obtener secciones de dimensiones mínimas. A veces las secciones huecas se rellenan de hormigón, aumentando su resistencia al mismo tiempo que se consigue una importante resistencia al fuego (>60 minutos). Sin embargo, las conexiones viga-pilar son más complejas que las conexiones entre perfiles en I. Las vigas soportan los elementos del forjado y transmiten sus cargas verticales a los pilares. En una estructura típica de edificio rectangular, las vigas comprenden los elementos horizontales que se extienden entre pilares adyacentes; pueden utilizarse asimismo vigas secundarias para transmitir las cargas del forjado a las


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vigas principales (o primarias). En los edificios de varias plantas, las formas de sección más comunes para las vigas son las formas en I laminadas en caliente o en H con alturas de 80 a 600 mm. En algunos casos pueden utilizarse también perfiles en U (simple o doble) A veces son necesarias aperturas en las almas de las vigas para permitir el paso de servicios horizontales, como tuberías (para agua o gas), cables (electricidad y teléfono), conductos (climatización), etc. Las aperturas pueden ser circulares (figura 6h) o cuadradas con rigidizadores adecuados en el alma. 250 Para los edificios, la relación normal entre luz y canto es del orden de 15 a 30 para conseguir el proyecto más eficiente. Además de resistencia, las vigas deben tener una rigidez suficiente para evitar grandes flechas que podrían ser incompatibles con componentes no estructurales (como tabiques). A tal efecto, la flecha máxima en el centro del vano de una viga se limita normalmente a una fracción de la luz igual a 1/400 - 1/500. Cuando esta limitación es demasiado severa, puede preformarse en la viga una deformación inicial adecuada (contraflecha) igual y opuesta a la flecha debida a las cargas permanentes. Según el Eurocódigo 3 los valores límite para las flechas son los siguientes.

VALORES LÍMITES RECOMENDADOS PARA FLECHAS VERTICALES

max 2

Techos en general L/200 L/250

Techos con utilización frecuente por personas distintas de las encargadas de mantenimiento L/250 L/300

Suelos en general L/250 L/300

Suelos y techos que soporten escayola u otros acabados frágiles, o tabiques no flexibles. L/250 L/350

Suelos que soporten columnas (a no ser que la flecha haya sido incluida en el análisis global para el estado límite último) L/400 L/500

Donde dmax pueda empeorar la apariencia del edificio L/250 -

Para puentes-grúa y vigas-carril, las flechas horizontales y verticales deberán limitarse de acuerdo al uso y la clase del equipamiento

VALORES LÍMITES RECOMENDADOS PARA FLECHAS HORIZONTALES EN EL EXTREMO SUPERIOR DE LAS COLUMNAS

Estructuras porticadas sin puentes-grúa h/150

Otros edificios de una sola planta h/300

En un edificio de varias plantas

En cada piso h/300

Estructura en su conjunto h0/500


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Donde:

L. Luz de la viga. Para vigas ménsula, la longitud L a considerar será dos veces la longitud de proyecto del voladizo

h es la altura de columna o piso.

h0 es la altura total de la estructura.

0. Flecha negativa de la viga en el estado de descarga

. Variación de la flecha de la viga debida a las cargas permanentes inmediatamente después de cargada.

. Variación de la flecha de la viga debida a las cargas variables más cualquier deformación a lo largo del tiempo debida a la carga permanente

max. Flecha positiva en el estado final con relación a la línea recta que une los apoyos. max=0

Debe tenerse presente que en estructuras abiertas al público la oscilación de la estructura deberá limitarse para evitar una incomodidad notable a los usuarios.

En caso de suelos sobre los que el público pasea frecuentemente, como los suelos de viviendas, oficinas y similares, la frecuencia natural más baja de la construcción del forjado no deberá ser inferior a 3ciclos/s. Esta condición se cumplirá si la flecha total (calculada utilizando la combinación frecuente) es menor de 28mm. Estos límites se pueden rebajar donde esté justificado debido a altos valores de amortiguamiento.

En el caso de un suelo sobre el que se salta o se baila de forma rítmica, como el suelo de un gimnasio o de una sala de baile, la frecuencia natural más baja de ese suelo no deberá ser menor de 5 ciclos/s. Esta condición se cumplirá si la flecha calculada según el párrafo anterior no es mayor de 10mm.


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Donde se considere necesario, se puede llevar a cabo un análisis dinámico para demostrar que las aceleraciones y frecuencias que se producirían no llegarían a causar incomodidad notable a los usuarios o daño al equipamiento.

Los forjados deben resistir las cargas verticales que actúan directamente sobre ellos. Normalmente están formados por losas apoyadas en las vigas de acero secundarias. La separación de las vigas de apoyo debe ser compatible con la resistencia de las losas del forjado. Las losas del forjado pueden ser de hormigón prefabricado, hormigón in situ o losas mixtas con chapa de acero. Hay disponibles varias opciones:

• hormigón convencional in situ sobre encofrado provisional .

• elementos delgados prefabricados (40 - 50mm de espesor) con revestimiento superior de hormigón estructural in-situ


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• elementos más gruesos de hormigón prefabricado que no requieren revestimiento superior estructural. La placa alveolar puede ir con o sin capa de compresión in situ. El forjado PI si lleva habitualmente capa de compresión in situ. El forjado PI se utiliza normalmente para luces grandes, superiores a 12m, donde no puede llegar la placa alveolar. • chapa de acero galvanizado o prelacado con ondulaciones adecuadas para que actúe también conjuntamente con la placa de hormigón vetido in situ, formando lo que se llama forjado colaborante. Esta chapa se clava al perfil que la soporta formando una estructura mixta. Las luces típicas para las losas de hormigón son de 4 m a 7 m, evitando así la necesidad de vigas secundarias. La longitud de las luces del forjado colaborante es del orden de 2 a 4 m. Por lo que es necesario vigas secundarias.

El tipo de forjado más adecuado se elige teniendo en cuenta las características de la obra en cuanto a costes, rapidez de montaje, accesos a obra, disponibilidad de grúas, fabricantes de la zona, requisitos estéticos...etc.


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El forjado debe cumplir las siguientes misiones

La primera y más importante es la Misión resistente.

Debe ser capaz de transferir las acciones gravitatorias a otros elementos de la estructura.

Debe ser capaz de recibir las acciones horizontales del viento y del sismo y transferirlas a los componentes verticales de la estructura.

Debe ser capaz de absorber las acciones internas.

Misión de arriostramiento.

El forjado se encarga de conformar diafragmas de rigidización horizontal cortando las longitudes de pandeo de los muros y de los pilares.

De arriostrar y enlazar entre sí los entramados y los muros de carga con los de cerramiento.

De impedir, por su gran rigidez en el plano horizontal, la deformación de los muros respecto a sus ejes y planos de inercia mínimos.

De evitar el pandeo de las vigas frente a la acción del viento y durante las sacudidas sísmicas.

De reducir los momentos de torsión producidos por el propio forjado o por los voladizos

Para que el forjado sea capaz de transferir las acciones y verificar el arriostarmiento, ha de satisfacer las condiciones de monolitismo, enlazabilidad, continuidad y rigidez.

Monolitismo. A de tener en su plano rigidez para transmitir a la estructura las acciones horizontales externas, las internas y las de enlace.

Enlazabilidad. Las diferentes piezas que componen el forjado deben estar enlazadas unas a las otras de modo que pueda absorber determinados esfuerzos de tracción.

Continuidad. Capacidad del forjado para resistir los esfuerzos debidos a la flexión.

Rigidez. Se verifica esta condición cuando su inercia impide oscilaciones sensibles con deformaciones limitadas, función de las condiciones de apoyo y de la carga a recibir.


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Misiones aislantes.

Por tratarse de un elemento de separación entre plantas de un edificio ha de verificar las siguientes misiones:

De aislamiento térmico de acuerdo a la NBE. CT-79

De aislamiento acústico según las limitaciones de la NBE.CA-80.

De resistencia al fuego de acuerdo con las exigencias de la normativa actual.

De impermeabilización en la planta más alta, para lo cual se complementa con otros elementos que se colocan en su parte superior.

Los sistemas de arriostramiento de la estructura principal se utilizan para resistir los esfuerzos horizontales (carga del viento, acción sísmica) transmitidos por el cerramiento a los forjados y transmitirlos a los cimientos. Cuando una carga horizontal F se concentra en cualquier punto de la fachada del edificio, se transmite a los dos pisos adyacentes a través de los elementos del cerramiento.


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Los elementos de apoyo Los efectos de las cargas H que actúan en la losa del forjado se distribuyen a los elementos de apoyo verticales que están situados en posiciones estratégicas del plano estructural (líneas punteadas en la siguiente figura) por un elemento resistente horizontal apropiado en el forjado. Los elementos de apoyo vertical se llaman arriostramientos verticales; el elemento resistente horizontal es el arriostramiento horizontal, que está situado en cada piso (y que puede ser el propio forjado). Cuando son necesarios arriostramientos horizontales adicionales, tienen la forma de barras diagonales en la planta de cada piso, tal como se muestra en la parte c de la figura anterior. Si se utiliza chapa de acero, el arriostramiento en cruz de S. Andrés puede sustituirse por la acción de entramado de la chapa de acero si está fijado adecuadamente. Los arriostramientos horizontales y verticales representan conjuntamente el sistema global de arriostramiento que transmite todos los esfuerzos horizontales a los cimientos. Los arriostramientos verticales se caracterizan por diferentes configuraciones de las barras diagonales en el armazón de acero. En la figura anterior podemos ver diferentes casos.

a. Diagonal única b. Arriostrado transversal (arriostramiento enX)


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c. Arriostramiento en V invertida d. Pórtico asimétrico e. Pórtico simétrico f. Arriostramiento en V

Una alternativa a los arriostramientos de acero son los muros o núcleos de hormigón armado proyectados para resistir los esfuerzos horizontales (figura siguiente). En estos sistemas, denominados sistemas duales, la estructura metálica está sujeta solamente a fuerzas verticales. Los núcleos de hormigón armado se sitúan normalmente en torno a las zonas de escaleras y ascensores. Normalmente, la losa del forjado puede proyectarse para resistir fuerzas en el plano a fin de evitar el uso de diagonales horizontales. Éste es el caso de las losas de hormigón armado in situ o las losas mixtas con conectadores apropiados. Para que un edificio de varias plantas resista los efectos combinados de las cargas horizontales y verticales, existen dos conceptos alternativos posibles para el sistema estructural. El primero, denominado rígido, es una combinación de elementos horizontales (vigas) y verticales (pilares) que son capaces de resistir acciones axiales, de flexión y de cizallamiento. En este sistema no es necesario ningún elemento de arriostramiento. El comportamiento de la estructura rígida se obtiene solamente si las conexiones viga-pilar lo son también, produciendo una estructura de pórticos con un alto grado de redundancia(hiperestaticidad). Como consecuencia de esta elección:


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- Las conexiones o uniones entre elementos son complejas. - La interacción entre fuerzas axiales y momentos flectores es crítica para el diseño de los pilares. -La deformabilidad transversal general de la estructura puede ser demasiado elevada, ya que depende solamente de la inercia de los pilares.

En la siguiente figura se muestran los detalles típicos de uniones viga-pilar para sistemas rígidos. Se denominan “uniones rígidas” y su función es transmitir el momento de flexión de la viga al pilar. Los tipos (a) y (b) requieren la ejecución de operaciones de soldadura in situ. Dichas operaciones no son completamente fiables y además resultan costosas y pueden provocar retrasos en el montaje. Una alternativa mejor es utilizar uniones atornilladas que permiten realizar conexiones rígidas sin los inconvenientes de las soldaduras in situ. En las figuras anteriores se muestran uniones típicas atornilladas con chapa frontal y con cubrejuntas. Las uniones atornilladas en obra permiten hacer el uso más adecuado de los métodos de conexión, es decir, soldar en el taller para formar elementos prefabricados y atornillar in situ para conectarlos. A fin de evitar los problemas prácticos de la construcción de un armazón rígido, puede obtenerse una solución más conveniente concibiendo el comportamiento estructural de una manera diferente. Las funciones de resistencia a las cargas horizontales y verticales se separan en las diferentes “familias” de elementos que se agrupan en dos subestructuras. Ver siguiente figura


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En la parte c de la figura se muestra un entramado simple compuesto por vigas articuladas capaz de transferir las cargas verticales a los cimientos En la parte b. una ménsula fijada al suelo que resiste las fuerzas horizontales y transmite sus efectos a los cimientos. La subestructura a. es hiperestática, las vigas flexan en el plano vertical, los pilares son simplemente comprimidos, las uniones articuladas entre vigas y pilares absorben solamente las fuerzas de cizallamiento. La subestructura b. es isostática; su función de arriostramiento puede obtenerse mediante vigas de celosía de acero o mediante paredes de hormigón armado. Estas estructuras de arriostramiento están sujetas principalmente a cargas de cizallamiento y flexión y su deformabilidad debe comprobarse en condiciones de servicio. A fin de limitar su deformación transversal. La combinación de las dos subestructuras a. y c. proporciona la estructura completa a que es capaz de resistir tanto las cargas verticales como las horizontales. Las principales ventajas de esta solución, denominada “sistema de pórtico arriostrado”, son:

- los detalles constructivos de las uniones son muy simples, ya que actúan como rótulas.


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La figura anterior muestra uniones articuladas materializadas mediante casquillo atornillado que permite el giro tanto a la unión Viga principal-Pilar como a la unión viga secundaria-viga principal.

-la deformabilidad transversal de la estructura está limitada por el sistema de arriostramiento (subestructura b). - la interacción entre fuerzas axiales y momentos flectores en el pilar es prácticamente inexistente.

257 En el diseño de un sistema estructural para un edificio de varias plantas se debe tener en cuenta su comportamiento espacial. Para el “sistema de pórticos arriostrados”, que parece ser el más conveniente por su economía y fiabilidad, es necesario situar un número suficiente de arriostramientos para poder resistir cualquier carga horizontal. Para ello, los requisitos son:

- Debe ser posible considerar cualquier sistema de forjado como una estructura plana, sujeta por los arriostramientos verticales.

- Los arriostramientos, como sujeciones externas del sistema de forjado, deben proporcionar un sistema de al menos tres grados de restricción.

- El sistema de forjado debe ser capaz de resistir las fuerzas internas debidas a las cargas horizontales aplicadas. Para satisfacer el requisito primer requisito. Si es necesario se colocarán cruces de S. Andrés en el plano del forjado. Como alternativa, la losa de elementos de hormigón prefabricado del sistema de piso puede suponerse que resiste directamente las fuerzas horizontales como una estructura de chapa plana, puesto que su deformabilidad es normalmente despreciable. Cuando se utilizan placas de hormigón, el montaje de la estructura metálica requiere una atención particular, ya que es inestable hasta que se colocan los elementos del forjado. Resulta necesario, por lo tanto, un arriostramiento provisional durante esta fase de la ejecución.

La siguiente figura muestra el arriostrado metálico de una estructura de varias plantas.


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Como resumen, para los edificios de poca altura, podemos enumerar los siguientes puntos:

- Los pórticos estructurales para edificios de varias plantas consisten en una configuración apropiada de losas, vigas, pilares, cimientos y arriostramientos. - Los pórticos pueden ser resistentes a momentos (con conexiones viga-pilar rígidas), pero se utilizan con más frecuencia conexiones viga-pilar articuladas simples, asegurando la estabilidad lateral mediante un sistema independiente de arriostramiento.

- El arriostramiento es necesario en tres planos ortogonales (generalmente estos planos son dos planos verticales no paralelos y uno horizontal en el interior de los forjados), ya sea mediante la propia placa del piso o mediante arriostramiento en cruz de S. Andrés.

- El arriostramiento en el plano vertical se consigue normalmente mediante arriostramiento transversal o mediante muros a cortante para edificios de poca altura.

La siguiente figura muestra la clasificación de sistemas estructurales para edificios de varias plantas según Drosdov, Lishak 1978

Para los edificios de gran altura (hasta 120 plantas) se utilizan diferentes sistemas estructurales según la altura. El sistema estructural de un edificio de gran altura debe resistir cargas de gravedad y laterales, debidas a fenómenos tales como el viento y los terremotos. A medida que aumenta la altura del edificio, las cargas laterales dominan gradualmente el diseño estructural. Puesto que la gente normalmente percibe estas aceleraciones durante estados de servicio, la rigidez, más que la resistencia, tiende a convertirse en el factor dominante en los edificios de gran altura. El estado límite de servicio puede, por lo tanto, ser más importante que el estado límite de resistencia.


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Pueden identificarse cuatro grupos de sistemas estructurales: a. sistema de muro portante b. sistema de núcleo c. sistema de pórtico d. sistema de tubo.

Cada sistema tiene diferentes propiedades resistentes y por lo tanto tiende a ser “eficiente” en un orden diferente de alturas. El sistema de muro portante (normalmente hormigón) es generalmente ineficaz en edificios de más de 15-30 plantas de altura debido a su propio peso. El sistema de núcleo de hormigón presenta el mismo inconveniente que el sistema de muro portante, es decir, el peso propio es un factor limitador. La eficiencia del sistema de pórticos depende de la rigidez de las conexiones y de la cantidad de arriostramientos. La rigidización puede obtenerse mediante el uso de un núcleo macizo, muros a cortante o arriostramientos en cruz de S. Andrés. A medida que se añaden arriostramientos al pórtico espacial, se incrementa la eficacia. El límite en altura es del orden de 60 plantas. El sistema de estructura tubular puede considerarse como una estructura espacial con los elementos verticales situados en el exterior. La eficiencia en altura depende del tipo y la cantidad de arriostramiento empleado en el tubo. En general, una estructura de tubo se considera la más eficiente para los edificios más altos, es decir de más de 60 plantas de altura. De los cuatro sistemas estructurales básicos, pueden derivarse seis sistemas secundarios a partir de una combinación de los básicos (véase la figura anterior). Se supone que los cuatro sistemas básicos son los grupos primarios que pueden asociarse a los niveles de la jerarquía del sistema estructural tal como proponen Falconer y Beedle. Estos sistemas primarios son:

a. Una estructura de pared portante formada de elementos verticales planos, formando todos o parte de los muros exteriores y, en muchos casos, también los muros interiores. Resisten las cargas verticales y horizontales y son, principalmente, realizados en hormigón

b. Una estructura de núcleo formada por muros de carga, generalmente situados muy próximos unos de otros, donde se suelen agrupar los sistemas de transporte verticales. Esta disposición permite flexibilidad en el uso del espacio del edificio fuera del núcleo. El núcleo puede proyectarse para resistir cargas verticales y horizontales.

c. Una estructura porticada está hecha generalmente de pilares, vigas y losas de forjado dispuestas para resistir las cargas verticales y horizontales. El pórtico es quizá la forma estructural más adaptable respecto al material y la forma, debido a las muchas maneras de combinar los elementos estructurales a fin de dar apoyo adecuado a la carga. En los ejemplos de la siguiente figura, las vigas de acero se combinan con paredes y núcleos de hormigón o con arriostramientos de acero y vigas de celosía horizontales.


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d. Una estructura tubular se caracteriza normalmente por elementos estructurales exteriores poco separados, proyectados para resistir fuerzas laterales en conjunto, más que como elementos separados. Esquemas alternativos podrían incluir tubos arriostrados y tubos porticados (véase la figura 12). Aparte del tubo simple, pueden utilizarse también soluciones de “tubo en tubo”. Estos sistemas permiten una mayor flexibilidad en el uso del espacio interior debido a la ausencia de pilares interiores.


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1.6 Esquema de diseño de estructuras de acero

El diseño de perfiles y uniones puede presentarse en forma de diagrama. Sin embargo debe tenerse en cuenta que para obtener la optimización definitiva algunas veces será necesario dar pasos atrás en el esquema. El orden en el que se calculan las resistencias varían de un caso a otro.

Selección del modelo estructural y tipos de uniones

Determinación de cargas

Cálculo de esfuerzos internos en cada sección de la estructura

Selección de las secciones transversales en base a las fuerzas internas, requisitos de los estados límites de servicio y estados

límites últimos

Cálculo de las secciones a esfuerzos axiles, momentos, torsores y cortantes

Cálculo de secciones frente a cargas puntuales

Cálculo de uniones y bases de pilares

Comprobación de desplazamientos considerando perfiles y uniones obtenidas

Cálculo de resistencia a fatiga

Diseño a fuego y diseño frente a otras acciones accidentales

CAPITULO 1 TIPOLOGIA GENERAL DE ESTRUCTURA...

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