FUNCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS

Las estructuras son elementos constructivos cuya misión fundamental es la de soportar un

conjunto de cargas, que podemos clasificar como sigue:

1- Peso propio

2- Cargas de funcionalidad

3- Acciones exteriores varias

En el apartado 1 de peso propio incluiremos las cargas de la estructura que son

especialmente significativas en las estructuras de hormigón armado y las cargas reológicas,

que provienen del proceso de fraguado del hormigón.

En el apartado 2 incluiremos las cargas que actúan sobre la construcción de la que forma

parte la estructura en cuestión, por ejemplo los objetos y personas que van a estar en la

construcción.

En el apartado 3 nos referimos a la temperatura (dilatación-contracción), el viento, la nieve, sismos, etc.

Vemos que las cargas que pueden actuar sobre una estructura son muy variadas y pueden

darse una serie de combinaciones entre ellas, debiendo la estructura soportar la combinación

más desfavorable.

Hemos utilizado anteriormente la palabra soportar, pero en teoría de estructuras, en el

contexto que se ha utilizado en la frase, el sentido de tal palabra hace referencia a tres

aspectos:

1- Estabilidad

2- Resistencia

3- Deformación limitada

Vamos a comentar, de una forma muy general los aspectos anteriormente enunciados. Así:

La estabilidad de una estructura es la que garantiza que dicha estructura, entendida en su conjunto como un sólido rígido, cumple las condiciones de la estática, al ser solicitada por las acciones exteriores que pueden actuar sobre ella. La resistencia es la que obliga a que no se superen las tensiones admisibles del material y a que no se produzca rotura en ninguna sección. La deformación limitada implica el que se mantenga acotada (dentro de unos límites) la deformación que van a producir las cargas al actuar sobre la estructura. Estos límites van marcados por la utilización de la estructura, razones constructivas y otras.

 2. FORMAS GENERALES DE LAS ESTRUCTURAS

Hablamos de estructuras planas cuando todas las barras que la forman y las cargas que

actúan sobre la misma se encuentran en un mismo plano. Hablamos de estructuras

superficiales cuando la estructura presenta una forma marcadamente superficial y las cargas

que actúan sobre dicha estructura no se encuentran contenidas en dicha superficie.

Hablamos de estructuras espaciales cuando las barras que forman la estructura, así como las

cargas que actúan sobre la misma, ocupan cualquier posición en el espacio.

2.1. GRÁFICO ( Pulse sobre la imagen para ampliar) 

Comentarios:

Los elementos estructurales

fundamentales son :

1. Las vigas de directriz recta, que

trabajan fundamentalmente a

flexión

2. Los pilares, que trabajan

fundamentalmente a compresión.

Es importante no perder de vista la

importancia que tienen otros dos

elementos:

La cimentación

El terreno, ya que si fallan por algún

motivo no se consigue el objetivo

final de una estructura que es

fundamentalmente: traspasar las

cargas de la construcción, de la que

forma parte, al terreno.

Una tipología de viga muy frecuente es :

La viga continua.

Consta de unos apoyos intermedios.

Los espacios entre pilares los

denominamos vanos, que pueden

ser:

Extremos

Intermedios

Central.

Los arcos: Los elementos estructurales que sirven para salvar los vanos frecuentemente son de eje recto, pero también pueden serlo de eje curvo. Una tipología característica es el arco de tres articulaciones.

Para las denominaciones de las

estructuras utilizamos determinados

aspectos significativos, como por

ejemplo:

La forma fundamental, por ejemplo:

arco

Los apoyos, por ejemplo:

empotramiento, articulación fija,...

El tipo de nudos, por ejemplo: rígido,

articulado

Existen una serie de tipologías

estructurales muy comunes:

Los pórticos, generalmente de nudos

rígidos, característicos por ejemplo

de las estructuras principales de las

naves industriales.

Las cerchas, generalmente de nudos

articulados, característicos por

ejemplo de ciertas estructuras de

cubierta, en construcción industrial

fundamentalmente.

Los marcos, que se utilizan por

ejemplo en entramados laterales

En construcción arquitectónica son muy

comunes los pórticos múltiples de varios

vanos y alturas.

2.2. GRÁFICO

Otras veces las estructuras presentan formas superficiales o volumétricas.Denominamos estructuras espaciales a aquellas en que las barras, .... y cargas que actúan presentan cualquier posición en el espacioSu cálculo implica la utilización de procedimientos específicos.

2.3. GRÁFICO :

Comentarios:

Una de las tipologías estructurales más sencilla es la viga armada. La viga armada se utiliza

para pequeñas estructuras y generalmente en la tipología de armadura inferior, para que con

el estado de cargas habitual trabajen a tracción los elementos que componen la armadura de

la viga.

En tales casos es frecuente la utilización de cables.

En la fig.1 podemos ver una viga armada superiormente mediante lo que se denomina como:Péndola: elemento verticalTornapuntas: formando lo que podemos denominar como cordón superior.

En la fig.2 podemos ver una viga armada inferior, mediante sopanda y jabalcón. Se utiliza como estructura de apoyo para vigas en mal estado, rehabilitación, patología, ...

En las figs. 3 y 4 podemos ver una viga armada inferiormente, mediante mangueta y tirantes.

En las figs. 5, 6 y 7 podemos ver una tipología de viga armada inferior que se denomina FINK respectivamente simple, doble y múltiple, haciendose cada vez más compleja su forma.

En la fig. 8 una tipología de viga armada inferior que se denomina BOLLMAN, que presenta una forma un tanto compleja, pensada para la utilización de cables, en los tirantes.

En la fig. 9 una tipología de viga armada inferior que se denomina PRATT.

Es una forma estructural que se adapta a mayores luces y solicitaciones que las anteriores,

pudiendo utilizarse para pasarelas y pequeños puentes.

 

2.4. GRÁFICO : ( Pulse sobre la imagen para ampliar)

Comentarios:

Una de las tipologías estructurales más frecuentes es la viga de celosía Son muy frecuentes especialmente en construcción industrial para resolver luces apreciables y pórticos mixtos.Presentan una buena relación peso-resistencia en relación con las vigas de alma llena, pero ciertos inconvenientes constructivos.

En la fig. 1 podemos ver una tipología muy frecuente que se denomina WARREN.

En las figs. 2, 3 y 4 se mantiene la malla propia de la warren pero se le añaden montantes en nudos inferiores, superiores e inferiores y superiores, respectivamente.

En la fig. 5 podemos ver una viga de celosía de malla tipo PRATT

En las figs.6 y 14 podemos ver una viga de celosía de malla tipo HOWE, de número de tramos par e impar respectivamente.

En las figs. 7, 8 y 9 podemos ver vigas de celosía de mallas más complejas formadas mediante combinación de mallas warren (7,9) y pratt (8).La complejidad de las formas obliga por razones constructivas a un uso más restrictivo.

En la fig. 10 podemos ver una tipología de marcos con cruz de san andrés, adecuada para estructuras de entramados laterales en construcción industrial.

En la fig. 11 podemos ver una tipología característica e interesante: la viga en K, adecuada para mejorar el comportamiento de las diagonales a compresión, que suelen ser barras críticas.

En la fig. 12 podemos ver una viga con cordón inferior poligonal. La malla es del tipo Howe, pudiendo ser otra, adecuada a las cargas que van a actuar sobre la viga.

En la fig. 13 podemos ver una tipología que se denomina

como viga VIERENDEEL .

La viga vierendeel es necesariamente de nudos rígidos,

ya que no es una malla triangulada.

 

2.5. GRÁFICO

:

Comentarios:

Estructuras de barras articuladas para cubiertas, en los tipos : a dos aguas, shed y marquesinas. Vamos a describir gráficamente una de las tipologías estructurales más clásicas, debido en gran parte a la sencillez del cálculo de los axiles en barras, mediante los métodos :Método de los nudos (Analítico)Método de Cremona (Gráfico) Para el cálculo de los desplazamientos en sus nudos ó para el caso de vinculación exterior hiperestática, tenemos que utilizar procedimientos más complejos. Actualmente su utilización se está reduciendo por diversas razones : económicas, constructivas y otras.

En las figs. 1 a 12 se

recogen diferentes

armaduras propias de

cubiertas a dos aguas,

con diferentes

características y

utilizaciones.

Para luces más

pequeñas se utilizan las

siguientes:

cercha simple (figs.1 y

2),

la cercha española (fig.3) , la cercha suiza (fig. 10) y la cercha alemana (fig.11) Para mayores luces se utilizan diferentes soluciones de malla como son:inglesa (fig.4), americana (fig.5), belga (fig.6) que es una de las más utilizadas, polonceau simple (fig.7), polonceau doble (fig. 8), fink (fig.9) y pratt

(fig.12).

En las figs. 13 a 16 se recogen diferentes armaduras propias tanto de cubiertas a un agua como de cubiertas tipo shed. Las cubiertas tipo shed son un clásico de la construcción industrial, ya que con una orientación adecuada, facilitan la recogida de aguas y la iluminación natural de una nave industrial de amplias dimensiones. Actualmente su utilización está decreciendo por razones similares a las antes expuestas.

Las podemos denominar en base a la malla que utilizan y que sería inglesa (fig.13), belga (fig.14), polonceau (fig.15).

Cuando tenemos que realizar una cubierta tipo shed múltiple con apoyos en los extremos,

una de las posibilidades de diseño estructural más frecuente es la de añadir una barra

uniendo los diferentes vértices de cada cuchillo, como vemos en la fig.16.

En las figs. 17,18 y 19 se recogen diferentes armaduras propias de las marquesinas. Las marquesinas son estructuras que se han utilizado frecuentemente como cubiertas auxiliares.Se encuentran soportadas en un extremo y constituyen una estructura con forma general de voladizo.

Las podemos describir en base a sus características más significativas como el tipo de malla

o el cordón inferior. 

Esta última característica, en las figuras que se refieren es:

recto (fig.17) o quebrado (figs.18 y 19).

2.6. GRÁFICO :

Comentarios:

Estructuras de barras articuladas para cubiertas de grandes luces.

Las formas estructurales anteriores (Apdo. 2.5.) pueden ser utilizadas en pequeñas y

moderadas luces. En este apartado nos referimos a las formas más adecuadas para las

cubiertas de grandes luces.

En las figs.1, 2, 3, 4 y 5 podemos ver una forma general de armadura simple con peralte

(fig.1), con cordón inferior recto (figs. 3, 4 y 5) o quebrado (fig. 2) en la que las barras del

cordón superior se han sustituido por vigas de celosía de diferentes tipos de malla.

En las figs. 6, 7 y 8 podemos ver una forma clásica de cubierta a dos aguas con diferentes mallas, generalmente la belga y la inglesa.

En las figs. 9, 10, 11 y 12 vemos la utilización del arco en diferentes posiciones:

en el cordón inferior (figs.9 y 11), en el cordón superior (fig.10) y tanto en el cordón inferior

como en el superior (fig. 12)

2.7. GRÁFICO :

Comentarios:

Estructuras de cubierta con voladizos En este conjunto de gráficos representamos una serie de soluciones para utilizar los voladizos con las siguientes finalidades:- Aumentar la superficie de cubierta- Disminuir las luces entre pilares

 

En la fig.1 podemos ver que el cordón inferior se mantiene recto mientras que se produce un cambio de dirección en el cordón superior.

En las figs. 2, 3, 4, 5 y 6 el cordón inferior adopta la forma de una línea quebrada, quedando rectos los tramos correspondientes al voladizo.

Las formas que se representan en las figs. 7,8 y 9 se corresponden con luces mayores y se pueden utilizar diferentes mallas como por ejemplo americana y belga. También es de resaltar la utilización del arco en el cordón inferior como forma de transmitir las cargas a los apoyos (fig.9) y la inversión en la forma del mallado al llegar al voladizo.

 

2.8. GRÁFICO :

Comentarios:

Formas generales de estructuras porticadas y marcos, formados con barras de nudos rígidos. La utilización de los pórticos es cada vez más usual en la construcción industrial metálica por diferentes razones:

- La mejora en los procedimientos de cálculo, más complejos que para las estructuras de

nudos articulados.

- La utilización de PVS para la optimización de los mismos, así como el empleo de tornillos de

alta resistencia.

Reflejamos en el gráfico correspondiente una serie de formas que nos permiten recorrer con

detalle la descripción de esta importante tipología estructural que constituye frecuentemente

la estructura principal de las naves industriales.

En las figs.1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 13 y 14 podemos ver un pórtico simple con apoyos articulados

(figs.1,3,5 y 6) o empotrados (figs.2 y 4), sin pendiente (figs. 1 y 2), a dos aguas (figs. 3,4,5 y

6) y con tirantes (figs. 5 y 6), con utilización de arcos en vez de vigas de eje recto (figs. 13 y

14) para mejorar el comportamiento del pórtico en diferentes sentidos y en base a las cargas

que actúen sobre dicha estructura.

Deberemos por tanto analizar las ventajas e inconvenientes que presentan las diferentes tipologías de arcos simples de forma que diseñemos tales estructuras adaptándonos a las necesidades de cada caso.

En las figs.7 y 19 podemos ver un

pórtico múltiple, con una sola altura o

con varias alturas.

El elevado grado de hiperestaticidad de

los pórticos múltiples le confiere

interesantes características resistentes,

como elemento estructural fiable que

debe garantizar la estabilidad de la

construcción a la que pertenece:

En su conjunto

Parcialmente

Durante su funcionamiento normal

Durante su ejecución

Frente a patologías

La dificultad de su cálculo por métodos manuales se redujo considerablemente con el método de Cross y posteriormente la utilización de procedimientos de cálculo por ordenador ha facilitado su utilización.

En las figs. 8 y 9 podemos ver un semipórtico que es una estructura en la que un extremo de una viga no se apoya en un pilar.

En las figs. 16, 17 y 18 vemos lo que denominamos como marcos que presentan formas

cuadradas, representativas en entramados laterales, que suelen presentar apoyos

articulados.

Se han representado otras formas poligonales en las figs. 10, 11 y 12, que no precisan

comentario específico aparte del de su escasa utilización.

2.9. GRÁFICO :

Comentarios:

Otras tipologías de pórticos utilizando PVS y pilares y vigas de celosía.

La importancia de los pórticos en la construcción industrial y el interés por optimizar su

diseño, ampliar las luces que pueden utilizarse,etc. ha llevado a un conjunto de tipologías

que reflejamos en este apartado.

En las figs. 1 y 3 podemos ver el empleo de perfiles de alma llena en sección variable (PVS), adaptándose a las solicitaciones que se producen en las diferentes secciones de las barras.

En las figs. 2, 4, 5 y 6 podemos ver tipologías en las que las vigas y los pilares se han formado mediante estructuras de barras de disposición triangular, de forma que puedan ser calculados como una estructura constituida por barras articuladas.Destacamos la conveniencia de utilizar como apoyos de los pilares las articulaciones fijas, en esta tipología, para que las barras trabajen a axiles. En la fig. 7 se recoge una tipología de pórtico mixto con forma de arco constituido mediante una malla de barras triangulada, un tirante y apoyado en pilares metalicos rígidos con apoyos mediante empotramiento, es decir una estructura con barras a axiles en cubierta y sometida a axiles, cortantes y flectores en pilares.

En la figura 8 se

recoge una

tipología de

pórtico con

puente grúa

característico

de las naves

industriales

para talleres.

Destacamos en

esta tipología la

conveniencia de

utilizar apoyos

empotrados

para estos

pórticos.

2.10. GRÁFICOS :

 

Comentarios:

Tipologías características de

estructuras para puentes.

En las figs. 1, 2, 3, 4 y 5 se recogen

estructuras tipo de puentes sin

apoyos intermedios, mientras que en

las figs. 6, 7 y 8 el apoyo del tablero

se produce tanto en los extremos

como en posición intermedia.

Podemos ver en las figs. 1 y 3 la utilización de un tablero de alma llena, mientras que en las figs. 2 y 4 puede verse un tablero realizado estructuralmente mediante una celosía de barras. En las figs. 1 y 2 el tablero se refuerza con una estructura superior, de la que cuelga, que transmite los esfuerzos hacia los apoyos. En las figs. 3 y 4 el tablero se refuerza con una estructura de barras inferior sobre la que se apoya, transmitiendo los esfuerzos en posición diferente a la de los apoyos del tablero. La tipología de la fig.5 es del mismo tipo que la que se puede ver en las figs. 3 y 4, pero realizada en hormigón.Puede realizarse también mediante hormigón armado en el tablero y con vigas metálicas (tipo cajón) en el arco inferior.

En las figs. 6 y 7 se recogen formas de puentes colgantes, con tableros de alma llena (fig.6) y de celosía (fig.7). En la fig. 8 se recoge una tipología con apoyos intermedios que se denomina puente cantilever.

 

rPRINCIPALES TIPOS DE ESTRUCTURAS.

(Pasa el ratón por encima de las imágenes enmarcadas para ver una secuencia de diapositivas.) 

    Se pueden realizar muchas clasificaciones de las estructuras, atendiendo a diferentes parámetros:

Función de su origen:

Naturales:  como el esqueleto, el tronco de un árbol, los corales marinos,  las estalagmitas y estalactitas, etc.

 

Artificiales: son todas aquellas que ha construido el hombre. Aquí aparecen algunas.

 

En función de su movilidad:

Móviles: serían todas aquellas que se pueden desplazar, que son articuladas. Como puede ser el esqueleto, un puente levadizo, una bisagra, una biela, una rueda, etc. Como ejemplo la estructura que sustenta un coche de caballos y un motor de combustión.

 

 

Fijas: aquellas que por el contrario no pueden sufrir desplazamientos, o estos son mínimos. Son por ejemplo los pilares, torretas, vigas, puentes.

En función de su utilidad o situación:

Pilares: es una barra apoyada verticalmente, cuya función es la de soportar cargas o el peso de otras partes de la estructura. Los principales esfuerzos que soporta son de compresión y pandeo. También se le denomina poste, columna, etc. Los materiales de los que está construido son muy diversos, desde la madera al hormigón armado, pasando por el acero, ladrillos, mármol, etc. Suelen ser de forma geométrica regular (cuadrada o rectangular) y las columnas suelen ser de sección circular. 

 

Vigas: es una pieza o barra horizontal, con una determinada forma en función del esfuerzo que soporta. Forma parte de los forjados de las construcciones. Están sometidas a esfuerzos de flexión.

          Algunas vigas y viguetas formando parte de un forjado.

 

Muros: van a soportar los esfuerzos en toda su longitud, de forma que reparten las cargas. Los materiales de los que están construidos son variados: la piedra, de fábrica de ladrillos, de hormigón, etc.

 

 

Arcos: para ver y saber más sobre arcos pincha aquí...    

 

Tirantes: es un elemento constructivo que está sometido principalmente a esfuerzos  de tracción. Otras denominaciones que recibe según las aplicaciones son: riostra, cable, tornapunta y tensor. Algunos materiales que se usan para fabricarlos son cuerdas, cables de acero, cadenas, listones de madera...

 

Puentes: si quieres ver puentes pincha aquí...