Conceptos Fundamentales 1

8/18/2019 Conceptos Fundamentales 1

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CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Andres Galan/ I.C. / M.Sc.(c)[email protected]

mailto:[email protected]:[email protected]


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Entender que es la ingeniería estructural.

Conocer los sistemas y elementos estructurales.

Saber las clases y los métodos de análisis.

Conocer los tipos de apoyos.

Determinar la estabilidad y los grados de determinación de las

estructuras.

OBJETIVOS


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El análisis estructural.

Ingeniería estructural.

Sistemas estructurales.

Tipos de estructuras.

Elementos estructurales.

Idealizaciones.

Clases de análisis.

Métodos de análisis.

Metodologías de análisis

Tipos de apoyos.

Estabilidad y determinación de las estructuras.

CONTENIDO


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El análisis estructural es una división de las ciencias físicas y es el procesomediante el cual el Ingeniero estructural determina el comportamiento delas estructuras sometidas a las diferentes solicitaciones tales como: cargasmuertas, cargas vivas, efectos sísmicos, fuerzas de viento, entre otras.Esta respuesta generalmente se centra en determinar las fuerzas,

esfuerzos, momentos, desplazamientos y deformaciones en toda laestructura.

Una vez seleccionado el sistema estructural, definida su geometría,materiales, evaluadas las cargas actuantes, y precisado el procesoconstructivo se realiza el análisis estructural utilizando las teorías de lamecánica estructural. Se debe establecer un modelo matemático queprediga de manera adecuada el comportamiento real de la estructura.

ANALISIS ESTRUCTURAL


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Una estructura es un conjunto deelementos, capaces de soportar otransmitir cargas, conectados y dispuestosde tal forma que puedan cumplir una o

varias funciones específicas de modo quelos elementos no pierdan su estabilidad yque los desplazamientos no alteren elfuncionamiento y estética de la estructura.

La transmisión de las fuerzas aplicadas

entre los diferentes miembros queconforman una estructura se denominafunción estructural.

ESTRUCTURA

Torre Colpatria Office Building in Bogota,Colombia


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Al analizar y diseñar una estructura para que cumpla con susfunciones, definidas en el proyecto, se debe seleccionar un sistemaestructural que tenga en cuenta los siguientes aspectos:

Seguridad

Funcionalidad Factibilidad Durabilidad Cuidado ambiental Estético Proceso de construcción

Al momento de realizar un análisis de una estructura su tipología(propiedades geométricas y físicas o elásticas) y las accionesaplicadas en ella deben estar definidas y los resultados del análisisconducen al diseño estructural o al análisis de esfuerzo.

ASPECTOS A CUMPLIR EN UNA ESTRUCTURA


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La ingeniería estructural es una rama de la ingeniería civil que se ocupadel diseño de estructuras, y el análisis estructural es una de lasherramientas para alcanzar tal objetivo, por tanto, se debe dominar losprincipios de la mecánica estructural para poder determinar las fuerzas ymomentos internos y los desplazamientos originados por las cargas de

diseño.

INGENIERÍA ESTRUCTURAL

Los ingenieros estructurales se aseguranque sus diseños satisfagan un estándar para alcanzar objetivos establecidos deseguridad (por ejemplo, que la estructura

no se derrumbe sin dar ningún avisoprevio) o de nivel de servicio (por ejemplo,que la vibración en un edificio no moleste asus ocupantes). Adicionalmente, sonresponsables por hacer uso eficiente deldinero y materiales necesarios para

obtener estos objetivos.


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La ingeniería Estructural trata principalmente sobre tres aspectosbásicos:

1. El Análisis Estructural: Esta etapa consiste en calcular el estadonominal de esfuerzos y deformaciones dentro de la estructura, por

medio de una idealización matemática o física de ella.2. Análisis de Esfuerzos: verificación de los esfuerzos presentes enlos elementos de la estructura con los esfuerzos exigidos por loscódigos, reglamentos o especificaciones.

3. Diseño Estructural: Esta etapa consiste en determinar y verificar las dimensiones definitivas de los elementos, y la cantidad y

disposición del refuerzo a colocarse.

PROCESOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL


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Existen muchas formas de clasificar los sistemas estructurales, se puedenreferir al sistema de placas, resistencia sísmica, etc., pero el más general essegún su sistema estructural en si, y se clasifican en :

1. Estructuras Reticulares: Estructuras formadas por elementos, en loscuales una de sus dimensiones es mucho mayor en comparación con

las otras dos, conectadas de tal forma que constituyen un entramado, oun esqueleto, cuyos ejes están incluidos en un plano o en el espacio.Ejemplo de estas estructuras son las armaduras, pórticos, puentes,arcos, algunos edificios, etc.

SISTEMAS ESTRUCTURALES


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2. Estructuras Laminares: Son estructuras continuas, donde no existe unesqueleto identificable, se caracterizan por tener el espesor

considerablemente menor a sus otras dos dimensiones. La estructura sepuede representar entonces por una superficie; por ejemplo la superficiemedia, y el correspondiente espesor en cada punto de la superficie. Eneste tipo de estructuras están incluidas las placas, las membranas, silos,tanques, domos, placas plegadas, cáscaras, etc.


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Silos d e conc reto para almacenamiento d e granos


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3. Estructuras Masivas: Son estructuras continuas que se puedenidealizar como elementos cuyas dimensiones no difieren en

cantidades apreciables, estructuras tales como las de algunaspresas, muros de gravedad, etc.


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Represa Hoover, ub icada en el cu rso del río Co lo rado , en la

fro nt era ent re los estados de A rizona y Nevada (EE. UU.).


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4. Estructuras Especiales: Aquellas que no cumplen con laclasificación anterior o que están constituidas por una combinación

de varias de ellas.


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SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA EDIFICIOS

En los edificios como en la mayoría de los construcciones, puedenidentificarse dos subsistemas estructurales, dentro de los cuales sedeben buscar la solución más conveniente, antes de proceder con elanálisis y diseño de toda la estructura. Los subsistemas son:

Vertical o Sistemas de Resistencia Sísmica y de Viento

Horizontal o Sistemas de Pisos


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La edificación es diseñada para resistir las cargas laterales de viento y sismo.Lo ideal sería que estos sistemas también resistan las cargasgravitacionales.El sistema estructural debe ser resistente a las cargas laterales yproporcionar rigidez con el objeto de mantener las derivas dentro de loslímites exigidos por el NSR-10 u otros códigos.

SISTEMAS VERTICALES O SISTEMAS DERESISTENCIA SISMICA Y DE VIENTO


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TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES DERESISTENCIA SÍSMICA


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SISTEMA HORIZONTAL O SISTEMAS DE PISOS

Existen varias posibilidades para clasificar los sistemas de pisos o de losaen los edificios, se podría hacer según los materiales constituyentes, losmétodos constructivos, la forma como se comportan con respecto a susapoyos, etc., utilizaremos el último concepto para la clasificación de los

sistemas de pisos.

Losas en una dirección

Losas en dos direcciones


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LOSAS EN UNA DIRECCIÓN

1. Losas maciza en una dirección y vigas en una dirección(One Way Beam and Slab)

2. Viguetas en una dirección(Joist Slab)


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3. Sistema vigueta perdida(Skip Joist Slab)

4. Losa en bandas unidireccional(Banded Slab Unidirectional)


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5. Tablero metálico(Steel Deck)


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Lo sa al igerada en una dirección.


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Refuerzo de las vig uetas y loseta de un a losa aligerada en

una dirección.


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Viguetas y loseta de una losa aligerada en una d irecc ión.


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Refuerzo de las vig uetas y loseta de un a losa aligerada en

una dir ección , con bloques de cemento .


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Viguetas y los eta de una losa aligerada en una d irección

con bloques de cemento.


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INSTALACIÓN DE LAS LÁMINAS


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ARMADURA DE LA LOSA


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PRESENTACIÓN FINAL


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Lo sa con Steel Deck .


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Lo sa con Steel Deck .


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LOSAS EN DOS DIRECCIONES

1. Placa plana(Flat Plate)

2. Losa plana con capiteles cuadrados(Flat Slab With Square Column Capitals)


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3. Losa plana con ábacos(Flat Salab With DropPanels)

4. Losa plana con capiteles y ábacos(Flat Slab With Square Capitals andDrop Panels)


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5. Losa reticular (Waffle Slab)

6. Losa reticular con vigas(Waffle Slab With SolidColumn Lines)


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5. Losa maciza sobre vigas


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Sistema Reticu lar Celulado .


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Casetón en fib ra.


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Losa Retic ular co n Casetón en fib ra.


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Losa aligerada co n Casetón en fib ra.


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Losa aligerada co n Casetón en fib ra.


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Casetón en guadua.


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Casetón en guadua.


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Lo sa aligerada con Casetón en guadua.


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Lo sa aligerada con Casetón en Icopo r.


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Lo sa aligerada con Casetón en Icopo r.


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Losa al igerada con vigu etas prefabricadas.


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Losa al igerada con vigu etas prefabricadas.


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Con str uc ción de las vig uetas prefabric adas.


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Con str uc ción de las vig uetas prefabric adas.


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Lo sa aligerada con vig uetas prefabric adas.


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Los ingenieros estructurales deben reconocer los diferentes tipos deestructuras, como también, su forma y función.

TIPOS DE ESTRUCTURAS

1. Armaduras: Son estructuras conformadas por elementos

sometidos a fuerzas de tracción y compresión, usualmentedispuestos en forma triangular.

Puente que comu nica los centros c omerciales Buenavis ta I y II


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HOWE PRATT

ESTADIO

“K”WARREN

FINK


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PRATT

WARRENPRATT

WARREN

PRATT

BALTIMORE

PENSILVANIA “K”


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2. Cables: Se utilizan para cubrir grandes luces. Son flexibles y estánsometidos a fuerzas de tracción. En ellos la carga no se aplica en ladirección del cable y éste adopta una geometría que depende de la

carga. Por estar siempre en tracción no son inestables.


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3. Arcos: El arco logra su resistencia en compresión porque tiene unageometría inversa a la de un cable. Sin embargo debe ser rígido paramantener su forma y soportar cargas de flexión y corte debido a

fuerzas secundarias.


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4. Pórticos o Marcos: Usados comúnmente en edificios y se componende vigas, columnas y muros. Sus elementos transmiten fuerzas decorte, flexión, axial y torsión. Se analizan en 2D y 3D.


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5. Estructuras de pared delgada: Se usan principalmente en tanques yelementos sometidos a grandes presiones internas. Su geometría loshace estructuralmente estables.


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ELEMENTOS ESTRUCTURALES

1. Tirantes: Son elementos sometidos afuerzas de tracción. Debido a lascargas que soportan son elementosesbeltos.


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2. Vigas: Elemento estructural, horizontal o aproximadamentehorizontal, cuya dimensión longitudinal es mayor que las otras dos ysu solicitación principal es el momento flector, acompañado o no de

cargas axiales, fuerzas cortantes y torsiones. Se clasifican según lamanera en que están apoyadas (p.e. simplemente apoyadas,continuas, etc.)


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3. Columnas: Son elementos sometidos primordialmente a fuerzas decompresión y flexión. Deben de tener una rigidez adecuada para queno fallen por pandeo


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4. Losas: Son elementos planos que resisten fuerzas perpendiculares alplano del elemento. Resisten flexión y esfuerzo de corte.


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5. Placas delgadas: Tienen esfuerzos de tracción, compresión y corte.Se usan principalmente en estanques.


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Las estructuras en Ingeniería son en realidad cuerpos de tres dimensionesy el modelarlos como estructuras reticulares, laminares, masivas etc., esuna idealización simplificada para facilitar el análisis.

Por otra parte, las propiedades y características del material de que están

hechas las estructuras también se idealizan y simplifican para hacer posible el análisis estructural.

Entonces, el análisis exacto de una estructura no es posible realizarseporque se tienen que hacer estimaciones de las cargas y de losmateriales, por lo tanto, el ingeniero estructural debe poseer habilidad y

sentido común al modelar o idealizar una estructura.

IDEALIZACIÓN ESTRUCTURAL


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Las siguientes son ciertas hipótesis iniciales en las que las metodologías deanálisis se basan:

•

El material se asume homogéneo e isotrópico, es decir que tiene lasmismas propiedades elásticas en todos sus puntos y en todas lasdirecciones, en otras palabras, existe una relación lineal entre las cargasy las deformaciones.

• Las deformaciones son pequeñas comparadas con las dimensiones de la

estructura.

• Los elementos de la estructura se representan por líneas rectas quesiguen la trayectoria del centroide de la sección transversal del elemento.

• Es valido el principio de superposición.

Hoy en día con la utilización de programas que emplean métodos de loselementos finitos no son necesarios algunas de estas idealizaciones.

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