SISTEMA ESTRUCTURAL APÓRTICADO
1.
SISTEMAS ESTRUCTURALES
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| Imagen
tomada de http://www.aulatecnologia.com/ESO /SEGUNDO/teoria/estructuras/ESTRUCTURAS.htm |
Se define como estructura a los cuerpos capaces de resistir cargas
sin que exista una deformación excesiva de una de las partes con respecto a
otra. Por ello la función de una estructura consiste en trasmitir las fuerzas
de un punto a otro en el espacio, resistiendo su aplicación sin perder la
estabilidad. Por tal motivo, las estructuras soportan cargas externas que deben
ser resistidas sin que se observen cambios apreciables en su forma o geometría,
para tal fin las estructuras generan cargas internas de equilibrio.
Estas cargas
internas son aquellas que actúan dentro de un elemento estructural y son
necesarias para mantener unido a las partículas o moléculas del elemento
estructural cuando la estructura global se encuentra sometida a cargas
externas. Su determinación es la esencia del análisis estructural. De esta
forma, para obtenerlas se hace uso del método de las secciones cuando la
estructura es isostática, basada en un principio estructural fundamental.
Cuando la estructura es hiperestática, esas cargas internas se calculan usando
métodos de análisis estructural.
Un objeto puede
tener, a su vez, una mezcla de sistemas estructurales. Pueden clasificarse por
su campo de actuación (informática, molecular), sistema de trabajo (de vector
activo, de compresión, de tracción) y material (fibra natural, piedra natural,
cerámica).
1.1. TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES
La NSR colombiana reconoce
cuatro tipos generales de sistemas estructurales de resistencia sísmica, los
cuales se definen en esta sección. Cada uno de ellos se subdivide según
los tipos de elementos verticales utilizados para resistir las fuerzas sísmicas
y el grado de capacidad de disipación de energía del material estructural
empleado.
1.1.1. Sistema de muros de carga — Es un sistema estructural que no dispone de un pórtico es esencialmente completo y en el cual las cargas verticales son resistidas por los muros de carga y las fuerzas horizontales son resistidas por muros estructurales o pórticos con diagonales.
1.1.1. Sistema de muros de carga — Es un sistema estructural que no dispone de un pórtico es esencialmente completo y en el cual las cargas verticales son resistidas por los muros de carga y las fuerzas horizontales son resistidas por muros estructurales o pórticos con diagonales.
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| Imagen tomada de http://www.fazfacil.com.br/ reforma-construcao/como-fazer-muro/2/ |
1.1.2. Sistema
combinado— Es un sistema
estructural, en el cual:
(a) Las cargas verticales son resistidas por un pórtico no resistente
a momentos, esencialmente completo, y las fuerzas horizontales son resistidas
por muros estructurales o pórticos con diagonales, o
(b) Las cargas
verticales y horizontales son resistidas por un pórtico resistente a
momentos,esencialmente completo, combinado con muros estructurales o pórticos
con diagonales, y que no cumple los requisitos de un sistema dual.
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| Imagen tomada de http://www.construaprende.com/foros/ diseno-de-portico-de-acero-con-diagonales-excentricas-vt11203.html |
1.1.3. Sistema
dual — Es un sistema estructural que tiene
un pórtico espacial resistente a momentos y sin diagonales, combinado con muros
estructurales o pórticos con diagonales. Para que el sistema estructural se
pueda clasificar como sistema dual se deben cumplir los siguientes requisitos:
(a) El pórtico
espacial resistente a momentos, sin diagonales, esencialmente completo, debe
ser capaz de soportar las cargas verticales.
(b) Las fuerzas
horizontales son resistidas por la combinación de muros estructurales o
pórticos con diagonales, con el pórtico resistente a momentos, el cual puede
ser un pórtico de capacidad especial de disipación de energía (DES), cuando se
trata de concreto reforzado o acero estructural, un pórtico con capacidad
moderada de disipación de energía (DMO) de concreto reforzado, o un pórtico con
capacidad mínima de disipación de energía (DMI) de acero estructural. El
pórtico resistente a momentos, actuando independientemente, debe diseñarse para
que sea capaz de resistir como mínimo el 25 por ciento del cortante sísmico en
la base.
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| Imagen tomada de http://es.slideshare.net/GeneDeCMendoza/ sistemas-estructurales-genesis-mendoza-saia-psm |
1.1.4. Sistema de
pórtico — Es un sistema
estructural compuesto por un pórtico espacial, resistente a momentos,
esencialmente completo, sin diagonales, que resiste todas las cargas verticales
y fuerzas horizontales.
Un
sistema porticado es el que utiliza como estructura una serie de pórticos
dispuestos en un mismo sentido, sobre los cuales se dispone un forjado. Es
independiente de su arriostramiento [1], que
podrá hacerse con pórticos transversales, cruces de San Andrés, pantallas u
otros métodos; y del material utilizado, generalmente hormigón o madera. Este
sistema es el más utilizado hoy en día en las zonas desarrolladas,
especialmente en hormigón desde la patente Domino de Le Corbusier. Los forjados
transmiten las cargas a los pilares o muros, y éstos a la cimentación.
En
otras palabras, un sistema aporticado es aquel cuyos elementos estructurales
principales consisten en vigas y columnas conectados a través de nudos formando
pórticos resistentes en las dos direcciones principales de análisis (x e y)
[1]Es el conjunto de elementos estructurales a manera de amarres
transversales usados para aumentar la rigidez dela estructura y su capacidad de
resistir cargas laterales, tales como los movimientos sísmicos y la presión de
los vientos huracanados. Es la acción de rigidizar o estabilizar una estructura
mediante el uso de elementos que impidan el desplazamiento o deformación de la
misma.
2. SISTEMA APÓRTICADO.
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| Imagen tomada de https://es.wikipedia.org /wiki/P%C3%B3rtico |
2.1 Origen
Los
pórticos tienen su origen en el primitivo conjunto de la columna y el dintel de
piedra usado por los antiguos, en las construcciones clásicas de los griegos,
como en el Partenón y aún más atrás, en los trilitos del conjunto de Stonehenge
en Inglaterra (1800 años a.C.). En éstos la flexión solo se presenta en el
elemento horizontal (viga) para cargas verticales y en los elementos verticales
(columnas) para el caso de fuerzas horizontales.
2.2. Características
Es el sistema
de construcción más difundido en nuestro país y el más antiguo. Basa su éxito
en la solidez, la nobleza y la durabilidad.
El
comportamiento y eficiencia de un pórtico rígido depende, por ser una
estructura hiperestática, de la rigidez relativa de vigas y columnas. Para que
el sistema funcione efectivamente como pórtico rígido es fundamental el diseño
y detallado de las conexiones para proporcionarle rigidez y capacidad de
transmitir momentos.
2.3. Ventajas:
- Gran libertad en la distribución de los espacios internos del edificio.
- Son estructuras muy flexibles que atraen pequeñas solicitaciones sísmicas.
- Disipan grandes cantidades de energía gracias a la ductilidad que poseen los elementos y la gran hiperestaticidad del sistema.
- Permiten ejecutar todas las modificaciones que se quieran al interior de la vivienda, ya que los muros, al no soportar peso, tienen la posibilidad de moverse.
- Proceso de construcción relativamente simple.
- Generalmente económico para edificaciones inferiores a 20 pisos.
- Por la utilización muros de ladrillo (huecos con cámara de aire), el calor que se trasmite al interior de la vivienda es menor.
2.4 Desventajas:
- El sistema en general presenta una baja resistencia y rigidez a las cargas laterales.
- Su gran flexibilidad permite grandes desplazamientos lo cual produce daños en los elementos no estructurales.
- Es difícil mantener las derivas bajo los requerimientos normativos.
- Por su alta flexibilidad, el sistema da lugar a períodos fundamentales largos, lo cual no es recomendable en suelos blandos.
- El uso de este sistema estructural está limitado a estructuras bajas o medianas. Ya que a medida que el edificio tenga más pisos, mayores tendrían que ser las dimensiones de las columnas, lo cual puede hacer el proyecto inviable económica y arquitectónicamente.
2.5 Proceso Constructivo
- Zonificación del terreno
- Servicios higiénicos
- Almacenamiento de materiales
- Habilitación de fierro estructural
- Elementos prefabricados
- Oficina
2.6 Elemento
Estructurales:
- Fundación
- Base
- Pedestal
- Viga de Riostra
- Columna
- Placa
- Techo
2.7 Método de diseño
A menudo la
estructura horizontal se jerarquiza u organiza en diferentes niveles de
flexión: elementos principales o primarios, secundarios, etc. Hasta cubrir
totalmente. Para ciertos aspectos del análisis, la idealización de la
estructura distingue, de entre los elementos superficiales horizontales, los
elementos constitutivos de la familia principal (vigas) de los elementos
resistidos por ésta (forjados o losas) y los analiza por separado.
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| Imagen tomada de: http://med.se-todo.com/law/21385 /index.html?page=8 |
Las vigas se analizan junto con los pilares
constituyendo los pórticos o estructura vertical, y por otro lado, las vigas
con el resto del forjado o elementos de piso constituyen la estructura
horizontal. El modelo de barras permite simplificar notablemente las ecuaciones
que intervienen. La barra es internamente isostática, por lo que se pueden
obtener por equilibrio las solicitaciones de una sección en función de las de
otra. En estructuras de edificios lo más significativo de cara a las decisiones
de diseño es el tamaño o dimensión de cada elemento, y el número total de ellos.
Los elementos
constitutivos de la estructura se pueden incluir de forma simplificada en los
siguientes grupos:
- Elementos superficiales: estos se definen geométricamente por un solo parámetro, su espesor, pues su función principal es cubrir superficie, condicionante más importante que el estructural.
- Elementos lineales horizontales (vigas): no son obligados, pero, si existen, se definen por su sección, dos parámetros en la mayoría de los casos, tanto para hormigón armado ancho y canto, como para acero serie y canto.
- Elementos verticales o soportes: Estos se definen también por dos parámetros, área y forma.
- Materia estructural: que se define en estructuras de acero por la tensión y el módulo de elasticidad y en las de hormigón armado por los correspondientes valores de ambos materiales más la cuantía o proporción acero/hormigón.
2.8 Elementos: Columnas y
vigas.
El
diseño de las conexiones viga- columna es considerado el aspecto más crítico
dentro del diseño de un edificio de hormigón armado situado en zonas de alto
riesgo sísmico, sobre todo en aquellas estructuras que carecen de diafragmas u
elementos similares capaces de disipar la fuerza sísmica. En las estructuras
aporticadas de concreto reforzado los nodos viga – columna deben garantizar el
cabal desempeño ante las solicitaciones
a las que sean sometidas. Deben asegurar la continuidad de la estructura, lo que
se traduce fundamentalmente en estar capacitados para resistir tensiones de
origen gravitacional, eólico, sísmico y de cualquier otra índole y transmitir
estas mismas tensiones adecuadamente de la losa a las vigas, de vigas a
columnas, y de columnas hasta la infraestructura o sistema de fundación.
2.8.1 COLUMNA:
Una columna es un elemento estructural lineal
vertical que tiene la ventaja de minimizar el impacto de la estructura en el
espacio. Elementos verticales que dan apoyo a los elementos horizontales y
trasmiten las cargas a la cimentación. Su unidad de medida es el metro cúbico.
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| Imagen tomada de http://www.arqhys.com/ contenidos/la-columna-arquitectura.html |
Las
columnas de confinamiento se construyen en concreto reforzado, deben anclarse a
la cimentación, pudiendo utilizarse empalmes por traslapo en la base de la
columna, y deben rematarse anclando el refuerzo en la viga de amarre superior.
Proceso
constructivo:
a) Mano de obra: para el armado de una columna, se requiere un
oficial y 1-2 ayudantes.
b) Colocación
del refuerzo: Es el hierro utilizado para armar las columnas en concreto. Para
flejes es refuerzo A-37 y para refuerzo longitudinal hierro PDR-60. Su unidad
de medida es Kg ó Ton.
c) Formaleta: Molde
temporal para el concreto fresco, de madera, que se retira una vez que el
concreto logra la resistencia suficiente para sostenerse a sí mismo. El costo
de la formaleta puede llegar a ser el 60% del costo del concreto.
d) Fundida: Una
vez colocada la formaleta, debidamente engrasada con ACPM para evitar que el
concreto se pegue, se procede a verter el concreto en la columna. Se chuza con
una varilla o con vibrador, y se le dan golpes suaves a la formaleta para que
el hormigón penetre y se compacte.
e)
Desencofrado: Después de pasadas 12 horas, o de un día para otro, se procede a
quitar las tapas o testeros y se hace un resane a los huecos u hormigueros que
nos hayan quedado, con una mezcla de arena y cemento en proporción 1:4.
f) Curado:
Después de quitadas las tapas o testeros se procede a regar con agua 2 a 3
veces por día durante una semana o a envolver las columnas en polietileno para
mantener su humedad.
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| Construcción de una columna. Tomado de https://www.youtube.com/watch?v=XRB0OH4L2Zk |
2.8.3. VIGAS: Es un elemento lineal estructural horizontal que tiene
la capacidad de transmitir cargas a sus apoyos gracias a sus esfuerzos internos
de cortante, tracción y compresión.Una viga es un elemento que conecta dos
columnas formando un pórtico.
TIPOS
DE VIGA: VIGUETAS: Las viguetas son las vigas que están colocadas de forma
cercana entre ellas para soportar el techo y el piso de un edificio.
DINTEL:
Los dinteles son las vigas que se pueden ver sobre las aberturas en una pared
de mampostería, tales como ventanas y puertas.
2.9 Clasificación.
Según la norma
de sismo resistencia colombiana, los sistemas aporticados resistentes a
momentos se clasifican de acuerdo a su capacidad para disipar la energía en:
- Pórticos con capacidad especial de disipación de energía (DES)
- Pórticos con capacidad moderada de disipación de energía (DMO)
- Pórticos con capacidad mínima de disipación de energía (DMI)
- Pórticos losa – columna
- Estructura de péndulo invertido
Conceptos:
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| Imagen tomada de http://antisismos.blogspot.com.co /2015/06/lll-antecedentes-generales-de-la.html |
Disipación de energía. La disipación de energía se logra mediante la introducción de dispositivos
especiales en una estructura, con elfin de reducir las deformaciones y
esfuerzos sobre ella. Estos dispositivos reducen la demanda de deformación y
esfuerzos producidos por el sismo mediante el aumento del amortiguamiento
estructural. Como resultado los esfuerzos inducidos por el sismo en la
estructura pueden ser hasta un 50% menores que los correspondientes a la
estructura sin disipadores, reduciendo sustancialmente las incursiones
inelásticas (daño) de la estructura.
La
estructura sin disipadores de energía sobrevive el sismo severo disipando
energía en sus elementos principales, los que sufren daño. En la estructura con
disipadores, la energía es absorbida por estos dispositivos reduciendo
significativamente las deformaciones y el daño estructural.
Momento El Momento es
el resultado de la aplicación de una fuerza con una distancia determinada. Se
expresa del siguiente modo:
M = Fuerza x
Distancia
Momento Flector:
El momento flector se produce cuando la recta de aplicación del esfuerzo axil
no coincide con la directriz de la barra, ya que se está aplicando una fuerza
con una distancia, y por lo tanto, un momento. Recibe el nombre de momento
flector por la deformación que adopta la barra.
Momento Torsor:
Si la recta de aplicación de una acción exterior produce un esfuerzo de corte y
no coincide con uno de los ejes principales de su sección, estamos aquí
aplicando una fuerza con una distancia, por lo tanto, un Momento.
El momento que
se produce tiende a girar en forma transversal a la barra. Si sujetamos uno de
los extremos de la barra, el giro se impide, pero aparece, por el principio de
acción y reacción, un momento igual y de sentido contrario, que se lo denomina
momento torsor.
Continuando con
la clasificación del sistema estructural aporticado, la NSR colombiana en su
título A, nos indica en la tabla A.3.3. en qué condiciones pueden ser
utilizados estos sistemas aporticados.
Péndulo invertido Las estructuras de tipo péndulo invertido son aquellas donde el sistema de resistencia sísmica actúa como uno o varios voladizos aislados y un porcentaje alto de la masa se encuentra concentrada en la parte superior de la estructura.
