Diseño Estructural I

DISEÑO ESTRUCTURAL I

Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses

Campos

UNIVERSIDAD DEL GOLFO DE MEXICO

LICENCIATURA EN ARQUITECTURA

OTOÑO 2010.

PRIMER SEMESTRE

APUNTES

Campos

OBJETIVOS GENERALES:

Analizar el comportamiento de los distintos elementos deconstrucción.

Aprender a manejar los recursos y procedimientos para suanálisis.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

Ejercicios de cálculo y análisis apegados a la realidad práctica.

Exposición y discusión dirigida.

MODALIDAD DE EVALUACION DE LA ASIGNATURA

Exámenes exploratorios (3) 30%

A.C (trabajos, tareas, modelos) 60%

Participación 10%

TOTAL 100%

BIBLIOGRAFÍA

Campos

FERDINAN, Beer; “Mecánica vectorial para ingenieros” (estática); McGraw Hill; 2002.

LUTHE, García Rodolfo; “Análisis estructural”, Edit. Alfaomega;México, 2000.

AMBROSE. James, “Estructuras”, Edit. LIMUSA; México, 2001.

CARMONA Y PARDO, M. J.; “Estática en arquitectura”; Trillas;México, 2001.

FRANCIS, A.J.; “Introducción a las estructuras”; Edit. LIMUSA;México, 2000.

TEMARIO

Campos

• FORMAS DE CONSTRUCCION

– Construcción maciza

– Construcción de entramado.

– Construcción laminar.

– Construcción mixta.

• ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS.

– Elementos constructivos sujetos a cargas verticales (cimentación de piedra).

– Elementos constructivos sujetos a cargas verticales combinados con fuerzas o empujes horizontales (muros de contención).

– Elementos de transición entre la construcción maciza y de entramado (arcos dovelados)

Campos

• ESTRUCTURAS

– Estructuras de masa activa.

• Transmisión de cargas.

• Diseño de ramas: octagonales, oblicuas, espaciales, etc.

• Estructuras de vector activo.

• Armaduras en el plano.

• Armaduras en el espacio.

• Estructuras de forma activa. Cable parabólico.

– Estructuras de vector activo.

• SUPERFICIES PLEGABLES.

– Prismas.

– Piramidales.

Campos

• CENTROIDES.

– Secciones geométricas básicas y polígonos regulares.

– Secciones compuestas.

• CARGAS

– Apoyos.

– Acciones y reacciones.

– Esfuerzos.

– Deformaciones.

– Flexión.

CONSTRUCCIÓN MACIZA

Campos

Las construcciones macizas son aquellas que están formadas generalmentepor elementos pesados. Por ejemplo:

Piedra, ladrillo, block macizo, concreto simple y armado.

Perfiles laminados de acero como vigas y placas.

Elementos de madera como vigas y polines

A simple vista nos podemos dar cuenta que son construcciones pesadas ymasivas.

También podemos comprobarlo dando golpes y así sentir la solidez de laconstrucción.

Este tipo de construcción es el más común en nuestro alrededor.

Campos

Por ejemplo:

Casas de ladrillo con castillos, cadenas y losas de concreto.

Estructuras de naves industriales con vigas y placas de acero.

Casas de madera con estructura de vigas y polines de madera.

Campos

Ejemplos de casas y edificios construidas con ladrillo y

concreto armado.

Campos

Ejemplos de casas construidas con ladrillo y concreto

armado.

Campos

Ejemplos de naves industriales construidas con vigas y

placas de acero.

Campos

Ejemplos de casas construidas con madera maciza.

Campos

1.2 Construcción de entramado.

Son construcciones que están formadas por redes

o tramas tipo celosía.

Son estructuras portantes capaces de mantener el

equilibrio de las fuerzas que se generan en ellas.

Las reconocemos fácilmente por que tienen

armonía, ritmo y están construidas en serie.

Campos

Ejemplo de un entramado de concreto reforzado.

(Losa de vigueta y bovedilla).

Campos

Ejemplo de un entramado de perfiles de acero.

(Estructura de una vivienda).

Campos

Ejemplos de un entramados con perfiles de acero.

(Estructuras de edificios).

Campos

Ejemplo de un entramado de madera.

(Estructura de una vivienda).

Campos

1.3 Construcción laminar.

• Las construcciones laminares se caracterizan por

ser muy esbeltas; lo cual les confiere un aspecto de

“lámina”; este tipo de construcciones pueden

realizarse con concreto armado, ladrillo, metal,

madera, cristal y plásticos.

• A este tipo de estructuras se les conoce también

con el término de “cascarones”.

Campos

Ejemplos de cascarones de concreto.

Campos

Ejemplos de cascarones de concreto.

Campos

Ejemplos de cascarones de ladrillo.

Campos

Ejemplo de estructura laminar de metal.

Campos

Ejemplos de estructuras laminares de madera.

Campos

Ejemplos de estructuras laminares de cristal.

Campos

Ejemplo de estructura laminar de plásticos y

policarbonatos.

Campos

Ejemplo de estructura laminar llamada

Velaria o tensoestructura.

Campos

Ejemplo de estructura laminar llamada

Campos

Ejemplo de estructura laminare llamada

Campos

Ejemplo de construcción mixta.

Campos

Ejemplos de construcción mixta.

Campos

2. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS.

2.1 Elementos constructivos sujetos a cargas verticales

(cimentación de piedra).

CIMENTACIÓN

Campos

Cimentación.- es la parte intermedia entre la superestructura

y el suelo sobre el cual se apoya un edificio. Su función es la

de transmitir cargas al suelo.

Este suelo debe ser capaz de recibir dichas cargas. Para lo

cual la cimentación debe ser calculada y diseñada.

Campos

TIPOS DE CIMENTACIÓN.

1) Superficiales 2) Profundas

Cimentaciones superficiales o someras.

Son las mas comúnes, son las que usamos en viviendas,pequeños edificios, construcciones ligeras, etc.

Y cuando el terreno es duro a medianamente duro.

Cimentaciones profundas.

Son aquellas que se utilizan para grandes edificaciones,construcciones pesadas o cuando el terreno es blando.

Campos

Cimentaciones superficiales.

Campos

Pilote mediante rotación en seco.

1. Perforación mediante barrena

2. Colocación de la armadura

3. Hormigonado mediante tubo Tremie

4. Pilote terminado.

http://aparejata.wordpress.com/2007/09/01/tipos-de-pilotaje/

Ver videos

Campos

REQUISITOS GENERALES PARA UNA CIMENTACIÓN

a) Toda cimentación deberá desplantarse a una profundidad

adecuada, es decir, sobre terreno firme.

b) El sistema de cimentación deberá ser seguro contra el

momento de volteo, rotación, deslizamiento o ruptura del

suelo (falla al esfuerzo cortante).

c) Deberá evitarse la corrosión del acero de refuerzo y el

deterioro de la cimentación contra agentes nocivos.

d) Los asentamientos diferenciales deben ser tolerables por el

sistema de la cimentación.

e) La cimentación deberá ser económica.

Campos

PROFUNDIDAD DE DESPLANTE

Las cimentaciones superficiales deberán desplantarse debajo dela capa vegetal del suelo, a una profundidad tal, que nocorra peligro de quedar destapada o socavada por la accióndel viento o del agua (pluvial o subterránea).

Si el nivel de desplante se localiza en suelo arcilloso, deberátenerse mucho cuidado con los asentamientos, sobre todo sise trata de zapatas aisladas, una alternativa de soluciónsería mejorar el suelo mediante una sustitución de material.

En caso de encontrarse arcillas expansivas lo conveniente seráconsultar al especialista en mecánica de suelos.

Campos

SOLUCIONES A TERRENOS INCLINADOS

Cuando en un terreno se presentan desniveles importantes,

podrá optarse por escalonar la cimentación de acuerdo con

la red estructural o bien, podrá rellenarse perfectamente

para apoyar de manera adecuada la cimentación.

En ningún caso deberá desplantarse una cimentación sobre una

superficie inclinada, debido al posible deslizamiento

provocado por la fuerza tangencial a la superficie de apoyo.

Campos

SOLUCIONES A TERRENOS INCLINADOS.

Campos

relleno

cimiento

Muro de

contención

Campos

MAQUINARIA PARA RELLENOS

Campos

ESTRATOS DE SUELO

Campos

Para conocer el tipo de suelo del terreno donde va a cimentarse,

es necesario explorar el terreno natural por medio de

sondeos con máquina o bien por medio de pozos a cielo

abierto.

Los pozos a cielo abierto , consisten simplemente en excavar un

pozo en el terreno natural, de las dimensiones mínimas que

permitan a un peón excavar con pico y pala

(aproximadamente 1x2m). De las paredes de este pozo se

puede observar los distintos tipos de suelos en sus

condiciones naturales, lo que constituye una gran ventaja.

Por economía este tipo de excavación no va mas allá de 3 m de

profundidad, para evitar traspaleos.

Campos

La profundidad mínima de exploración en la excavación del pozo

a cielo abierto, debe ser igual o mayor a 1.5-2.0 el ancho “b”

de la cimentación.

Excavación ≥ 1.5-2.0 veces b

A esta profundidad los esfuerzos que transmite el cimiento al

suelo son aún significativos.

Todo esto aplica excepto cuando al explorar encontramos roca.

Tipos de suelos

Campos

• Gravas

• Arenas

• Limos

• Arcillas

Campos

http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/YM5.html

Campos

http://edafologia.ugr.es/comun/congres/clasolt.htm

Campos

EXCAVACIÓN EN OBRA PARA

VERIFICAR EL TIPO DE TERRENO

CIMIENTOS DE

MAMPOSTERIA DIBUJADO

EN PLANO

PROFUNIDAD DE POZO DE EXPLORACIÓN =

b = 60 cm

Preferentemente 2b

Campos

ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN

Cuando se construye una estructura es casi inevitable que se

produzca algún asentamiento, por lo que deberán tenerse

en cuenta los materiales que constituyen el suelo, al

momento de diseñar la cimentación.

1) Los materiales granulares como gravas, arenas gruesas y

medias, alcanzan generalmente su máximo asentamiento al

aplicarles la carga, y con el tiempo se van asentando mas

poco a poco.

Campos

ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.

2) Los materiales como el limo y la arena fina pueden alcanzar

una gran parte de su consolidación al aplicar la carga.

Aumentando el asentamiento a lo largo del tiempo, debido a

que el contenido de agua disminuye con la carga impuesta.

Si el suelo tiene libertad de moverse en forma lateral por que hay

saturación con agua, puede haber movimientos de gran

importancia, con peligro para la estructura.

En ocasiones es tanta la saturación con agua que el suelo flota si

la arena esta muy suelta, con lo cual puede haber

asentamientos diferenciales peligrosos.

Campos

ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.

3) Las arcillas alcanzan parte de su consolidación en el momentode aplicar la carga, pero como son plásticas, generalmentecontinúa esta consolidación a lo largo del tiempo en formalenta.

Una cimentación apoyada sobre una arcilla superficial se puedeir asentando a medida que esta se seca en época deestiaje, pero en época de lluvias la arcilla absorbe agua y seexpande, haciendo subir a la estructura. Provocando dañosa la edificación, durante la contracción-expansión del suelo.

Este tipo de suelo es conocido como “arcillas expansivas”.

Campos

SOLUCIONES PARA EVITAR ASENTAMIENTOS

a) Para evitar movimientos en la estructura es necesario que la

cimentación se desplante a una profundidad en la que los

efectos de expansiones-contracciones se eliminen.

b) En la mayoría de los casos se recomienda extraer las

arcillas, (dependiendo de su grado de expansividad) cuando

la capa de arcilla es gruesa, la alternativa es colocar entre el

cimiento y la arcilla una capa mínima de 40 cm de arena

media o gruesa, bien compactada.

c) Evitar por medio de banquetas o firmes, escurrimientos o

filtraciones de agua que lleguen a la arcilla.

Campos

SOLUCION PARA EVITAR ASENTAMIENTOS.

CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA

Campos

Son cimientos de tipo superficial.

Cuando se cálcula y diseña una cimentación, los resultadosobtenidos deben vaciarse en planos.

Estos planos que se llaman “estructurales de cimentación”llevarán notas que indiquen los materiales y el procesoconstructivo que se realizara y que permita garantizar sucorrecta ejecución.

Algunas de las notas más importantes son:

1) Niveles de desplante respecto al banco de nivel.

2) Cotas perfectamente detalladas.

3) En el plano se debe indicar la capacidad de carga delterreno con la cual se diseño la cimentación.

4) Tipo de mortero a emplearse para pegar la piedra.

Campos

Las dimensiones y secciones de los cimientos se indicarán en los

planos estructurales correspondientes.

Se emplearan piedras de gran tamaño, limpias, no fracturadas,

unidas con mortero de cemento:cal:arena, con juntas no

demasiado grandes, rellenando las oquedades de las

uniones con piedras de menor tamaño.

El escarpio deberá ser mayor a 60°.

Campos

La corona del cimiento no será menor a 30 cm. (se recomienda

que el ancho de la corona sea el doble del espesor del

muro).

Esta corona deberá rematarse con piedras de gran tamaño para

evitar juntas en el asiento de la cadena.

Deberán preverse los anclajes de los castillos de acuerdo a lo

indicado en los planos del proyecto.

Se dejarán previstos los pasos de ductos de instalaciones

sanitarias, hidráulicas y eléctricas.

Campos

DETALLE DEL ANCLAJE DEL CIMIENTO

Anclaje mínimo de 40 cm.

Campos

DETALLE DEL PASO DE INSTALACIONES

ESPECIFICACIONES DE MATERIALES

Campos

LECHADA: cemento ó cal + agua.

MORTERO: cemento y/o cal + arena + agua.

CONCRETO: cemento + arena + grava + agua.

Al mortero se le conoce comúnmente como “mezcla”.

Al concreto se le conoce comúnmente como “revoltura”.

Al concreto en algunos libros extranjeros se le nombra como

“hormigón”.

Campos

TABLA DE PROPORCIONAMIENTO DE MORTERO ESTRUCTURAL

TIPO DE

MORTER

PARTES DE

CEMENTO

HIDRAÚLIC

KG/CM2

PARTES DE CAL

HIDRATADA

PARTES DE ARENARESISTENCIA A

COMPRESIÓN

I 1 0 A 1/4 NO MENOS DE 2.25 NI MAS

DE 3 VECES LA SUMA DE

CEMENTANTES EN

VOLUMEN

II 1 1/4 A 1/2 75

III 1 1/2 A 1 1/4 40

I 1 0 3 125

1 0.25 3.75 125

II 1 0.25 3.75 75

1 0.5 4.5 75

III 1 0.5 4.5 40

1 1.25 6.75 40

RESISTENCIA A

COMPRESIÓN TIPO DE MORTERO

BULTOS DE

CEMENTOBULTOS DE CAL BOTES DE ARENA

EJEMPLOS

Campos

CARGAS MUERTASCapítulo VI del Reglamento de construcción del Municipio de

Puebla.

ARTICULO 345.- VALORES NOMINALES: Para la

evaluación de las cargas muertas se emplearán los

pesos unitarios especificados en la tabla siguiente: (ver

tablas de pesos volumétricos). Los valores mínimos

señalados se emplearán de acuerdo con el Artículo 333

cuando sea mas desfavorable para la estabilidad de la

estructura considerar una carga muerta menor, como en

el caso de flotación, lastre y succión producida por el

viento. En los otros casos se emplearán los valores

máximos.Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses

Campos

II.- SUELOS:

Arena de grano seca 1.75 1.40

tamaño uniforme saturada 2.10 1.85

Arena bien graduada seca 1.90 1.55

saturada 2.30 1.95

Arcilla 1.50 1.20

Campos

BAJADA DE CARGAS

EJEMPLO 1

Campos

En la losa no se multiplica

por 0.20

Campos

DISEÑO DE CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA

Campos

CONFORME A LAS NTC-DF

RESISTENCIA DE LA PIEDRA A COMPRESIÓN EN

DIRECCIÓN NORMAL A LOS PLANOS DE FORMACIÓN

= 150 KG/CM2

Campos

Las piedras no necesitarán ser labradas, pero se evitará, en lo

posible, el empleo de piedras de formas redondeadas y de

cantos rodados.

Por lo menos, el 70 por ciento del volumen del elemento

estará constituido por piedras con un peso mínimo de 300 N

(30 kg), cada una.

Campos

ESFUERZOS RESISTENTES DE DISEÑO

MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO > 50 KG/CM2

f*m = 20 kg/cm2 (compresión)

v* = 0.6 kg/cm2 (cortante)

MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO < 50 KG/CM2

f*m = 15 kg/cm2 (compresión)

v* = 0.4 kg/cm2 (cortante)

CÁLCULO DE CIMIENTOS DE

MAMPOSTERÍA

Campos

2.2 MUROS DE CONTENCIÓN.

Campos

La función de estos muros es la de presentar una barrera física

que impida que un material de relleno invada una zona

determinada. Existen casos en que la única función del

muro es la de contener el empuje del terreno.

Los muros de contención son muy empleados en proyectos de

casas habitación cuando hay necesidad de cimentar sobre

un terreno inclinado.

En este caso, se debe de realizar un corte en el terreno para

desplantar a nivel la cimentación. El cimiento entonces es

sujeto a una combinación de cargas horizontales y

verticales y, de este modo, se debe de analizar como muro

de contención.

Campos

CÁLCULO DEL EMPUJE DEL TERRENO.

Se han desarrollado diversas teorías que establecen el valor del

empuje E que actúa, por efecto del terreno, sobre un muro

de contención. De las más conocidas son las de Coulomb,

Rankine y Terzaghi.

Las NTC recomiendan el empleo del método semi empírico de

Terzaghi para el caso de muros con una altura menor a 6

m, siempre que se satisfagan requisitos de drenaje, para

cuyo caso se emplean un filtro atrás del muro lloraderos y/o

tubos perforados.

Campos

Teoría de Coulomb

Cuando en forma libre se aglomeran materiales de cualquier tipo,

tales como arena, grava, arcilla, etc., y no existe ningún

impedimento al desplazamiento horizontal, el material en

cuestión toma un ángulo de inclinación hasta alcanzar un

estado de equilibrio.

A dicha inclinación se le llama talud natural y al ángulo que toma

dicho talud se le llama ángulo de talud natural .

Campos

SOLICITACIONES EN MUROS DE CONTENCIÓN.

Los muros de contención se deben verificar para que resistan las

cuatro siguientes solicitaciones:

Volteo, Deslizamiento, Hundimiento en el terreno y Cortante

directo en la mampostería .

Campos

DRENAJE EN LOS MUROS DE CONTENCIÓN

Es muy importante que este tipo de estructuras tenga un sistema de

drenaje eficiente, pues sin el la estructura puede correr un gran

peligro de sufrir un daño estructural severo.

El drenaje sirve para liberar exceso de humedad contenida entre el

muro de contención y el terreno que contiene.

Las soluciones más comunes son los drenajes perforados que vierten

el agua hacia algún sistema de desagüe.

Otra solución son los “lloraderos”, los cuales son poco estéticos para

usar en construcciones habitables.

Campos

EJEMPLOS

Campos

EJEMPLO 1

Campos

REVISION POR DESLIZAMIENTO

Se debe cumplir 1.04 ? 1.50 (coeficiente de friccion x Mvd) / Eu

NECESITA ESPOLON CALCULARLO Y PONERLO

si es menor a 1.5 es incorrecto, el muro falla por deslizamiento, se colocara un espolon

si es mayor a 1.5 es correcto

Calculo del espolon

Vue = (1.5 x Eu) - (0.6 x Mvd)

Vue = 6,028.88

r = 100.48 cm Vue / (100 x coeficiente de friccion )

REVISION POR CORTANTE

se debe cumplir

Vr ? VU

30,000.00 ? 2,100.00 CUMPLE

h x 100 x 100 x .6 1.4 x P externa

corona = 0.75 m

base B = 2.70 m

altura h = 5.00 altura sobre el nivel del terreno

h enterrada = 1.00 20% de h

h total = 6.00 altura enterrada + altura sobre el terreno

espolon = 100.48 m

m3 de mamposteria = 10.35 por metro lineal

CONCLUSIÓN QUE SE DIBUJARA EN EL PLANO

Campos

Son elementos formados por elementos pétreos

dispuestos en tal forma que permiten soportar

cargas sobre ellos y trasmitirlas a los apoyos.

Campos

Nomenclatura de los arcos

Campos

“Teorema del tercio medio”.

Cuando a una superficie se le aplican fuerzas, la

presión total es un sistema de vectores paralelos

de diferente intensidad. Este sistema tiene una

resultante cuya dirección, sentido y punto de

aplicación pueden determinarse .

Campos

Recomendaciones para predimensionar el peralte de un arco

Luces Medio punto Rebajado Apuntado

De 0.0 a 2.0 m 1 asta 1.5 astas 0.5 astas

De 2.0 a 3.5 m 1.5 astas 2 astas 1 asta

De 3.0 a 6.0 m 2 astas 2.5 astas 1.5 astas

De 6.0 a 9.0 m 2.5 astas 3 astas 2 astas

Campos

José Victor Meneses Campos

jovimeca@gmail.com

Puebla, México.

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