SISTEMA ESTRUCTURAL APÓRTICADO

SISTEMAS ESTRUCTURALES

1.    SISTEMAS ESTRUCTURALES

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.

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.

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.

Imagen tomada de http://es.slideshare.net/GeneDeCMendoza/
sistemas-estructurales-genesis-mendoza-saia-psm

(c) Los dos sistemas deben diseñarse de tal manera que en conjunto sean capaces de resistir la totalidad del cortante sísmico en la base, en proporción a sus rigideces relativas, considerando la interacción del sistema dual en todos los niveles de la edificación, pero en ningún caso la responsabilidad de los muros estructurales, o de los pórticos con diagonales, puede ser menor del 75 por ciento del cortante sísmico en la base.

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)

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[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.

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.

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.

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.

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: 

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.