Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de La Plata

Introducción a la Ingeniería Civil e Hidráulica

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Armadura constructiva

Armadura longitudinal superior

Armadura longitudinal Inferior total

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Estribos viga Armadura inferior “cortada”

Armadura inferior continua entre

apoyos”

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Apoyos de

Aislamiento Sísmico

Desplazamientos

relativos entre

pisos

despreciables

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MECÁNICA ESTRUCTURAL APLICADA

INDICE Página 1.- Por qué hablar de una “Mecánica Estructural Aplicada”? 3 2.- Las Estructuras “Ideales” y las Estructuras “Reales” 3 3.- Divisiones Prácticas 4 4.- Estructuras Metálicas 5 4.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica? 5 4.2.- Elementos Comerciales 5 4.3.- Elementos Fabricados por Pedido 8 4.4.- Medios de Unión 10 4.5.- Los Enemigos de las Estructuras Metálicas 12 5.- Hormigón Armado 13 5.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica? 13 5.2.- La Vinculación entre el Hormigón y el Acero 15 5.3.- Resistencias 16

5.4.- Compensaciones de “Debilidades” 16 5.5.- Dimensionamiento y Detallado 16 5.6.- Hormigón Estructural 17

6.- Madera 18 6.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica? 18 6.2.- Elementos Disponibles en el Mercado 19 6.3.- Elementos de Unión 20 6.4.- Debilidades 21 7.- Asignatura Obligatoria “Complementos de Estructuras” 21 7.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica? 21 7.2.- Estructuras Sismo-Resistentes 21 7.3.- Puentes 23 7.4.- Estructuras para Edificios 24 8.- Asignaturas “Estructurales” Optativas 25 8.1.- Puentes 25 8.2.- Proyecto Estructural 26 9.- Algunas Preguntas 28

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1.- Por qué hablar de una “Mecánica Estructural Aplicada”? Para entender el “por qué” se puede hablar de una “Mecánica Estructural Aplicada” conviene hacer un análisis de cada una de las palabras. Mecánica: La mecánica es la rama de la Física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas. Estructural: En este caso se está haciendo referencia a estructuras para construcciones civiles e hidráulicas (p.e. esqueletos resistentes de edificios en altura, tanques, presas, conductos, etc.) Aplicada: La “Mecánica Estructural” admite un análisis teórico referido a materiales ideales en este caso se la denomina “Básica”. Cuando se la refiere a materiales reales (p.e. hormigón armado, acero, madera, etc.) se la denomina “Aplicada”. En definitiva, la “Mecánica Estructural Aplicada” comprende el estudio del comportamiento bajo cargas (acciones) de estructuras construidas con materiales reales. 2.- Las Estructuras “Ideales” y las Estructuras “Reales” Hasta hace unas pocas décadas, las estructuras se resolvían con cálculos manuales lo que limitaba la profundidad de los análisis que podían encararse con tiempos y costos razonables. Poco a poco se han ido introduciendo en estos cálculos computadoras con capacidades crecientes para procesar datos con tiempos y costos accesibles por lo que, también poco a poco, se ha ido aumentando la complejidad y exactitud de los análisis estructurales. Llevando las cosas a un límite absurdo, con la combinación software/hardware disponible en la actualidad un ingeniero civil podría no saber nada de Teoría de las Estructuras y aun así sería capaz de resolver una estructura realmente compleja. El límite es absurdo porque ese ingeniero no sería capaz de detectar, por ejemplo, un error en la entrada de datos que podría conducir a un resultado matemáticamente correcto para los datos ingresados pero físicamente fatal porque dicho resultado podría conducir a la falla de la estructura. Por el momento no existen computadoras que puedan plantear en forma autónoma la geometría de una estructura que atienda simultáneamente, por ejemplo, a requerimientos arquitectónicos y constructivos. En otras palabras, conocida la arquitectura de un edificio, hoy una computadora no podría disponer la estructura más eficiente desde el punto de vista estético, económico, constructivo, etc. Por ahora. Por todo lo dicho, los ingenieros todavía necesitan contar con conocimientos de estructuras para poder llegar a soluciones seguras, económicas, estéticas, prácticas y ambientalmente aceptables. Entender el funcionamiento de una estructura construida con un dado material no es sencillo si no se sigue un proceso de aprendizaje con complejidad creciente. El

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proceso de enseñanza que sigue nuestra Facultad consiste en el dictado de un primer grupo de asignaturas en las que se:

a) Plantea en primer término el análisis de estructuras muy sencillas constituidas por materiales con propiedades muy fáciles de describir matemáticamente. Se trata de materiales ideales. También las condiciones de apoyo de estas estructuras se eligen de modo de que su tratamiento matemático tampoco sea demasiado complejo.

b) Plantea en segundo término el análisis de estructuras más complejas constituidas por esos mismos materiales y apoyos ideales.

c) Presentan en tercer término algunas herramientas más generales que permiten abordar el análisis de materiales con comportamientos más complejos

d) Estudia separadamente el comportamiento de los principales materiales de construcción incluyendo entre ellos suelos y rocas

Estas asignaturas se agrupan dentro de la “Mecánica Estructural Básica” y “Ciencia y Tecnología de los Materiales”. Se incluye también aquí a la “Geotécnia” dado que ella trata entre otras cosas, el comportamiento de materiales naturales como los suelos y las rocas. En un segundo grupo de asignaturas, agrupadas dentro de la “Mecánica Estructural Aplicada” se desarrollan los métodos para el análisis de estructuras construidas con materiales “reales” (p.e. hormigón armado, acero, madera, etc.) apoyadas en terrenos “reales”. Estamos hablando ahora de estructuras “reales”. Las comillas en “reales” se deben a que siempre será necesario realizar algunas hipótesis simplificativas que hagan manejables los modelos con las herramientas informáticas disponibles hoy en día. 3.- Divisiones Prácticas El estudio de las estructuras construidas con materiales reales suele dividirse según los materiales constructivos. Siguiendo este criterio, en nuestra Facultad se tienen así las siguientes asignaturas:

a) Referentes a las estructuras de Hormigón Estructural: Hormigón Armado I (séptimo semestre) y Hormigón Armado II (octavo semestre)

b) Referentes a las estructuras de Acero y Madera: Construcciones Metálicas y de Madera (séptimo semestre)

Asimismo, el Ingeniero Civil necesita contar con conocimientos específicos relacionados con las diferentes tipologías estructurales y condiciones particulares como las que imponen los edificios en altura o las construcciones en zonas sísmicas. En nuestra Facultad esos conocimientos se imparten en una materia obligatoria denominada “Complementos de Estructuras”. En esta asignatura se abordan las siguientes temáticas:

• Acciones no sísmicas sobre las estructuras • Elementos constitutivos de un puente

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• Tipologías usuales en puentes. Funcionamiento Estructural, Materiales y Rangos de Aplicación.

• Puente viga de hormigón pretensado • Juntas y apoyos para diferentes tipos de estructuras • Edificios de mediana altura • Edificios de gran altura • Estructuras para Fundaciones de Edificios y Puentes • Reservorios para Líquidos y Gases • Estructuras Sismo-Resistentes de Hormigón Armado • Estructuras Sismo-Resistentes de Acero • Sistemas sismo-resistentes, con énfasis en estructuras de tipo Nave.

Definición de los sistemas sismo-resistentes. • Estructuras para la Fundación de Equipos

Para aquellos alumnos interesados en temas estructurales, la Facultad ofrece también dos materias optativas: “Puentes” y “Proyecto Estructural”. En “Puentes” se tratan con detalle las tipologías estructurales más usuales en nuestro medio y las infraestructuras (estructuras de apoyo y fundación) de uso más frecuente. En “Proyecto Estructural” se analizan otros tipos estructurales que se detallan más adelante. 4.- Estructuras Metálicas 4.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica? El acero es el material estructural que más se parece al material “ideal” que se estudia en las materias básicas sin embargo es necesaria la existencia de una asignatura destinada al estudio de estructuras metálicas debido a una gran cantidad de conocimientos de orden práctico que deben incorporarse para poder estar en condiciones de proyectar este tipo de estructuras (p.e. perfiles comerciales, medios de unión, tipologías aplicables a distintos tipos de funciones, etc.). 4.2.- Elementos Comerciales (Fabricación Estándar)

Las estructuras metálicas se construyen mayoritariamente a partir de elementos lineales de fabricación estándar (Figura 4.2.1). La mayoría de estos elementos pertenecen a uno de los siguientes tres grupos:

Perfiles laminados en caliente

Perfiles laminados en frío

Tubos Figura 4.2.1: Estructura metálica construida con perfiles laminados en caliente

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La longitud comercial de estos elementos suele ser de 6 o de 12 metros. Cada uno de estos tipos de elementos presentan particularidades tanto en su cálculo como en el proyecto y ejecución de sus uniones por lo que requieren un estudio particularizado. 4.2.1.- Perfiles Laminados en Caliente

Los perfiles laminados en caliente se conforman a partir de hacer pasar acero a alta temperatura y en estado semi-plástico por sucesivos rodillos que van aproximando cada vez más la forma final del perfil (Figura 4.2.1.1). En las Figuras 4.2.1.2 y 4.2.1.3 se muestran las secciones transversales más usadas de los perfiles laminados en caliente que se producen y comercializan en nuestro país.

4.2.2.- Perfiles Laminados en Frío En la Figura 4.2.2.1 se muestran, uniendo dos pórticos de la estructura principal, una serie de vigas de modesto porte destinadas a apoyo de los cerramientos de techo y laterales de una nave industrial. Para este tipo de casos se requieren perfiles con mucha menor resistencia y rigidez y por lo tanto espesores que las que proveen los perfiles laminados en caliente. Para dar solución a este tipo de situaciones se han desarrollado perfiles que se fabrican plegando chapas planas de acero muy

Figura 4.2.1.1: Rodillos de un tren de laminación en caliente

Perfil Normal “U” Perfil “L” de alas iguales Perfil Normal Doble “T”

Figura 4.2.1.2: Denominación de perfiles comerciales laminados en caliente

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delgadas mediante la acción de sucesivos rodillos que van dando la forma final a los perfiles. En la Figura 4.2.2.2 se muestra, en planta (vista desde arriba), un tren de laminación. Por la derecha se produce el ingreso de la chapa plana y por la izquierda se observa la salida del perfil ya terminado. Este tipo de equipos permite realizar cortes “a medida” por lo que puede optimizarse el uso de material. Este tipo de perfiles también pueden verse en otros tipos de estructuras entre las que se encuentra, por ejemplo, la estructura que sostiene la cubierta de la Terminal de Ómnibus de la Ciudad de La Plata.

Figura 4.2.2.1: Pórticos principales y correas pertenecientes a la estructura de una nave industrial

Figura 4.2.2.2: Tren de laminación de un perfil laminado en frío

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4.2.3.- Tubos

Sin entrar ahora en detalles, vale comentar que en algunos casos particulares se recurre al uso de perfiles tubulares como los que se muestran en la Figura 4.2.3.1. Estos perfiles (en especial los circulares) dan lugar a uniones

relativamente complejas.

4.3.- Elementos Fabricados por Pedido Algunas estructuras requieren el uso de perfiles o tubos cuyas dimensiones y/o particularidades geométricas hacen que no se encuentren disponibles en forma estándar. En estos casos hay que recurrir al uso de perfiles armados especialmente a partir de chapas planas o curvas (Figura 4.3.1) o conformados especialmente en forma de tubos (Figuras 4.3.2 y 4.3.3).

Figura 4.2.3.1: Perfiles Tubulares

Figura 4.3.1: Vigas muy altas pertenecientes a la superestructura de un puente de planta curva construido en EEUU

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Figura 4.3.2: Vista aérea de la cubierta del Estadio Olímpico de la Ciudad de Atenas (año 2004)

Figura 4.3.3: Detalle de los tubos estructurales constituyentes de los arcos principales de la cubierta del Estadio Olímpico de la Ciudad de Atenas (año 2004)

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Existen otras estructuras metálicas cuya geometría es tan singular que sólo han podido realizarse en años recientes a partir de la incorporación de equipos de doblado, corte y soldadura de chapa que operan bajo control numérico (asociados a programas de computación tipo CAD). Este es el caso del Puente de la Mujer situado en Puerto Madero en la Ciudad Autónoma de Buenos Aires (Figura 4.3.4).

4.4.- Medios de Unión 4.4.1.- Generalidades Una característica de las estructuras metálicas es que tienen un alto grado de prefabricación en taller. Tanto la construcción en taller como el montaje en obra

requiere la materialización de vinculaciones entre elementos entre sí y entre algunos elementos y las fundaciones. Estas vinculaciones reciben el nombre genérico de “uniones”. Básicamente existen dos tipos de uniones: las soldadas y las abulonadas o atornilladas. Ambos tipos de uniones son motivo de estudio en los cursos de Estructuras Metálicas. 4.4.2.- Uniones Soldadas La soldadura es un medio de unión rápido y relativamente económico. No existe una única técnica de soldadura. La soldadura más común es la que se realiza al establecer un arco voltaico entre el metal de base y un electrodo dejando como resultado un aporte de

Figura 4.3.4: Puente de la Mujer, Ciudad Autónoma de Buenos Aires

Figura 4.4.2.1: Operario realizando una soldadura con electrodo

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metal fundido usualmente denominado “cordón de soldadura” (Figura 4.4.2.1). La resolución geométrica, estructural y gráfica (planos) de encuentros complejos se ve hoy muy facilitada tanto por los programas comerciales de cálculos de estructuras que tienen módulos específicos para estructuras metálicas como por los programas de dibujo asistido por computadora con capacidades 3D (Figura 4.4.2.2). 4.4.3.- Uniones Abulonadas o Atornilladas En la Figura 4.4.3.1 se muestra un detalle de un bulón con sus respectivas arandelas y tuerca. Se trata de una de las posibles soluciones de uniones con empleo de bulones. En la Figura 4.4.3.2 se observa un sector de una estructura en la que se han empleado este tipo de uniones.

Figura 4.4.2.2: Modelo tridimensional de un nudo soldado con geometría muy compleja

Figura 4.4.3.1: Detalle de una unión abulonada

Figura 4.4.3.2: Unión abulonada

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Como en el caso de las uniones soldadas, los software comerciales para cálculo de estructuras con módulos específicos destinados a la solución de estructuras metálicas facilitan tanto el cálculo como el dibujo de uniones abulonadas (Figura 4.4.3.3).

4.5.- Los Enemigos de las Estructuras Metálicas

Las estructuras metálicas presentan dos grandes enemigos: la corrosión y los incendios. En la Naturaleza el hierro se presenta siempre en sus formas más estables, es decir, los óxidos de hierro. Con el correr del tiempo el hierro del acero también tiende a formas más estables, es decir, a oxidarse a través de fenómenos electroquímicos que reciben el nombre genérico de corrosión. Estos fenómenos producen pérdidas en las secciones resistentes que, si no son atendidas, pueden llevar a la falla de una pieza o de una estructura (Figura 4.5.1). Por este motivo, las

Figura 4.4.3.3: Captura de pantalla de un software específico para el cálculo y dibujo de estructuras metálicas con un detalle de juntas abulonadas

Figura 4.5.1: Viga metálica con importante pérdida de sección por corrosión

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estructuras metálicas requieren una protección contra la corrosión que aumenta tanto su costo inicial como el de su mantenimiento.

Cuando el acero es sometido a altas temperaturas disminuye tanto su resistencia como su rigidez. Como consecuencia de ello las estructuras metálicas tienen una gran vulnerabilidad a la acción de los incendios. Por esta razón, cuando se prevé que una estructura metálica pueda estar sometida a la acción de un incendio, la misma debe ser protegida mediante una aislación térmica adecuada. Este es un nuevo factor que incrementa el costo inicial de las estructuras metálicas.

5.- Hormigón Armado 5.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica? Así como se ha dicho que el comportamiento del acero se asemeja bastante al del material ideal que se estudia en “Mecánica Estructural Básica” también hay que decir que el hormigón armado se aleja bastante de dicho comportamiento. A pesar de que el hormigón armado se inventó a mediados del Siglo XIX conviene remontarse a tiempos muchos más lejanos para entender por qué apareció este material y por qué resulta tan singular. Para comprender mejor el comportamiento del hormigón armado hay que comprender primero el porqué de su existencia para lo que resulta útil remontarse más de 25 siglos atrás.

Figura 4.5.2: Estructura de acero colapsada por la acción de un incendio

Figura 5.1.1: Templo Griego Figura 5.1.2: Acueducto romano

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Comparando los templos griegos (también los egipcios y los romanos) con las construcciones actuales, se observa que las nuevas estructuras presentan una mayor distancia entre columnas y una menor altura en las vigas (elementos horizontales que unen dos columnas (Figura 5.1.1). También puede observarse que cuando los romanos tuvieron que distanciar mucho más las columnas recurrieron al uso de arcos (Figura 5.1.2). La pregunta es por qué?

En la Figura 5.1.3 muestra la deformación de una viga sometida a la acción de una carga exterior. Como puede apreciarse la zona inferior se alarga (técnicamente se dice que se tracciona) y la zona superior se acorta (técnicamente se dice que se comprime). Las rocas, y también los hormigones, tienen

altas resistencias a compresión y bajas resistencias a tracción por lo que los dinteles de los templos antiguos debían ser muy altos para poder salvar distancias entre columnas relativamente modestas. Conseguir trozos de roca sin fisuras de gran tamaño era difícil, caro y además esos elementos resultaban difíciles de levantar hasta su posición definitiva. Por todas esas razones los templos antiguos presentaban distancias muy modestas entre columnas. Los romanos dieron un gran salto tecnológico al emplear el arco en sus construcciones. En efecto, dado que en los arcos todos los elementos se encuentran comprimidos la resistencia de la roca era aprovechada en forma mucho más eficiente. El arco y sus variantes espaciales las bóvedas fueron los recursos estructurales más empleados en puentes e iglesias hasta bien entrado el Siglo XIX en el que las estructuras metálicas y de hormigón armado se fueron abriendo paso. Como ya se ha comentado el hormigón, que es una mezcla de cemento, arena, grava y agua, tiene una resistencia a tracción mucho menor que su resistencia a compresión. Como orden de magnitud puede pensarse en que la resistencia a tracción es del orden de un décimo de la resistencia a compresión. En la Figura 5.1.4 se presenta un ensayo realizado sobre una viga de hormigón simple sometida a la acción de una carga creciente “Q”. La rotura se produce para una carga “Q1” cuando en la zona inferior el hormigón alcanza su resistencia a rotura por tracción. La rotura se produce a través de una única fisura que se propaga muy rápidamente y termina dividiendo a la pieza en dos partes. En la Figura 5.1.5 se presenta un ensayo realizado sobre una viga de hormigón armado (se han agregado barras de acero en la zona inferior de la misma) sometida a la acción de una carga creciente “Q”. La rotura se produce ahora para una carga “Q2” que es mayor que “Q1” (tanto mayor cuanto mayor sea la cantidad de armadura agregada). La viga presenta múltiples fisuras pero se mantiene en una sola pieza. Se puede decir que la armadura ha aumentado la resistencia y también ha dado

Figura 5.1.3: Deformación de una viga bajo la acción de una carga

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integridad a la pieza. Asimismo, la existencia de fisuras próximas al momento de la rotura crea un “aviso” de que la estructura se encuentra en una situación peligrosa.

Si se observan ahora estructuras reales de hormigón armado, se notará que las fisuras aparecen para cargas no muy altas, en otras palabras, las vigas de las estructuras por las que transitamos a diario se encuentran fisuradas. Estas fisuras son de muy pequeña abertura y difíciles de percibir pero, allí están. Contestando ahora a por qué es necesario estudiar al hormigón armado como material estructural se puede decir que es porque se trata de un material compuesto (hormigón y acero), en el que el hormigón aporta resistencia a compresión y el acero resistencia a tracción y en el que se manifiestan fenómenos de fisuración (alternancia de secciones fisuradas con no fisuradas). Todas estas singularidades lo apartan mucho del material ideal estudiado en la “Mecánica Estructural Básica”. Existen todavía más comportamientos singulares del material que serán comentados al estudiar más en detalle este material. 5.2.- La Vinculación entre el Hormigón y el Acero

El material compuesto hormigón armado existe merced a que ambos materiales trabajan en forma “solidaria” merced a fenómenos conocidos bajo el nombre de “adherencia”. Para lograr un mejor comportamiento las barras

comerciales presentan unas protuberancias denominadas conformación superficial que se producen durante el proceso de laminación en caliente.

Q Q

Figura 5.1.4: Viga de hormigón simple sometida a la acción de una carga creciente

Figura 5.1.5: Viga de hormigón armado sometida a la acción de una carga creciente

(a) (a)

(b) (b)

Figura 5.2.1: Barra comercial de acero para hormigón armado

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5.3.- Resistencias Las resistencias de los materiales se expresan en Megapascales (MPa). Mientras que las resistencias de los aceros para hormigón armado son del orden de los 420 MPa, las de los hormigones comerciales más usados se encuentran entre 20 y 30 MPa, es decir, entre 21 y 14 veces menores que las del acero. En los aceros se especifica su resistencia a tracción mientras que en los hormigones se especifica su resistencia a compresión. 5.4.- Compensación de “Debilidades” Como ya se ha dicho, el hormigón tiene una baja resistencia a la tracción. En el hormigón armado el acero aporta su alta resistencia a la tracción. También se ha comentado que el acero presenta como debilidades su vulnerabilidad a la corrosión y a los incendios. El hormigón protege al acero creando a su alrededor una ambiente altamente alcalino que inhibe los fenómenos de corrosión. Por otra parte, la baja conductibilidad térmica del hormigón protege al acero de la acción de los incendios. 5.5.- Dimensionamiento y Detallado

En una estructura de hormigón armado existen diversos tipos de armaduras. La determinación de las cantidades necesarias de cada tipo de armadura recibe el nombre de “dimensionamiento”. La ubicación correcta y la geometría de cada una de las armaduras recibe el nombre de “detallado” o “doblado”. Como en el caso de las estructuras metálicas, existen programas de computación específicos que ayudan mucho en estas tareas.

Armadura constructiva

Armadura longitudinal superior

Armadura longitudinal Inferior total

Armadura de la columna

Estribos columna

Estribos viga Armadura inferior “cortada”

Armadura inferior continua entre

apoyos” Figura 5.5.1: Armaduras típicas

Figura 5.5.2: Detalle de un nudo viga-columna

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5.6.- Hormigón Estructural Bajo la denominación de “Hormigón Estructural” se agrupa al hormigón simple (sin armaduras), al hormigón armado (con armaduras convencionales) y al hormigón pretensado del que se hará una mínima referencia a continuación. En nuestra Facultad, estos dos últimos tipos de hormigones son estudiados en las asignaturas “Hormigón Armado I” y “Hormigón Armado II”. A mediados del Siglo XX comenzó a difundirse una técnica muy ingeniosa para evitar que el hormigón se fisurara bajo cargas de servicio. Su nombre genérico es “Pretensado”. En la Figura 5.6.1 se observa la presencia de fisuras (en el dibujo se ha exagerado su abertura) en una viga de hormigón armado bajo cargas de servicio. En la Figura 5.6.2 se observa una viga, con la misma armadura que la anterior, construida de la siguiente forma:

a) Se hormigona la viga dejando en su interior un conducto denominado vaina en el lugar que luego ocupará la armadura

b) Una vez endurecido el hormigón se ubica la armadura dentro de la vaina y se fija un extremo de la misma por ejemplo con una tuerca

c) Se tira del extremo opuesto de la armadura de modo de ponerla en tensión. Para ello se utiliza un gato hidráulico que se apoya contra el extremo de la viga

d) Se fija el extremo del cual se está tirando, por ejemplo, con una tuerca Por efecto del pretensado la viga se deforma como muestra la Figura 5.6.2, es decir, con compresiones en la parte inferior y tracciones en la partes superior. En otras palabras con un efecto contrario al que producen las cargas exteriores (Figura 5.6.1). La fuerza a dar a las armaduras puede calcularse de modo de que, bajo cargas de servicio, ni la parte inferior ni la parte superior de la viga experimenten tracciones de modo de que el hormigón no presente fisuras.

Figura 5.6.1: Deformación y Fisuración en una viga de hormigón armado sometida a cargas

Figura 5.6.2: Deformación originada por el Pretensado de la armadura

Figura 5.6.3: Viga casi sin deformaciones por efecto conjunto de las cargas exteriores y el pretensado

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Sin entrar ahora en detalles, cabe mencionar que esta técnica se utiliza en la actualidad en múltiples aplicaciones que van desde elementos premoldeados para construcciones menores hasta vigas para puentes (Figura 5.6.4) o reactores nucleares (Figura 5.6.5). 6.- Madera 6.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica?

En realidad en nuestra Facultad no existe una asignatura específica para el estudio de las estructuras de madera, éstas se ven dentro de la asignatura “Estructuras Metálicas y de Madera”. La madera, como material, presenta una cantidad de singularidades. Por una parte, es un material natural que presenta características muy diferentes según se lo ensaye en el sentido de las fibras o normal a este (Figura 6.1.1). En la Figura 6.1.1.a se muestra un ensayo a tracción según la dirección paralela a las fibras. En estos ensayos la madera muestra muy buena resistencia. Sin embargo, si el ensayo se hace en sentido normal a las fibras (Figura 6.1.1.b) la madera se desgarra arrojando resistencias muy bajas.

Figura 5.6.4: Gato de postesado aplicado en extremo de una viga de puente

Figura 5.6.5: Vasija de un reactor nuclear

Figura 6.1.1: Ensayos de madera en sentido paralelo y normal a las fibras

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Ocurre algo similar para otras solicitaciones lo que hace que el estudio de las estructuras de madera difiera de lo visto para estructuras metálicas y para estructuras de hormigón armado y pretensado. Dependiendo de la especie, la madera puede presentar una resistencia muy buena en relación a su peso y a su costo y es, además, un recurso renovable. Otra particularidad de la madera consiste en que las dimensiones de los elementos varían con las dimensiones de los troncos. La industrialización de la madera permite conseguir elementos de dimensiones superiores a las de los propios troncos. Otra particularidad de las estructuras de madera son sus uniones. Sólo recientemente nuestro país ha contado con un Reglamento Nacional CIRSOC para el cálculo de estructuras de madera. 6.2.- Elementos Disponibles en el Mercado Los elementos disponibles en el mercado varían de un país a otro y dentro de un mismo país. La presentación más elemental es en el formato de tirantes y tablones. Estos presentan un procesamiento muy básico respecto al rollizo. Puede decirse que se trata de elementos lineales en los que una dimensión (el largo) predomina frente a las otras dos Para lograr elementos superficiales (dos dimensiones predominan frente al espesor) los troncos se montan en una máquina que los hace rotar para realizar un corte delgado que da lugar a una cinta continua de madera que luego se corta según las medidas requeridas. Estas chapas de madera son sometidas luego a un proceso de secado y aplanado. Finalmente se fabrica a partir de ellas el contrachapado, también conocido como multilaminado, plywood, triplay o madera terciada, que es un tablero elaborado con chapas de madera pegadas con las fibras dispuestas transversalmente respecto a la capa anterior mediante el uso de resinas sintéticas

con aplicación de fuerte presión y calor. Esta técnica da notable estabilidad dimensional al tablero. Estos elementos tienen usos estructurales muy limitados. Existen muchos recursos para superar las limitaciones que imponen el tamaño de troncos disponibles y las formas rectas. Uno muy interesante lo constituye la madera laminada (Figura 6.2.1). En estos casos se

Figura 6.2.1: Elementos rectos y curvos realizados en madera laminada

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construyen elementos rectos o curvos a partir del encolado de láminas de pequeño espesor. Estas láminas son de longitudes limitadas pero los cortes se van alternando de modo de no originar seccione débiles. 6.3.- Elementos de Unión Las uniones en madera son zonas delicadas y pueden constituir puntos débiles en las estructuras. Existen numerosas soluciones que van desde lo artesanal (Figura 6.3.1) a sistemas que incorporan elementos metálicos (Figuras 6.3.2 a 6.3.4).

Figura 6.3.1: Uniones madera-madera artesanales

Figura 6.3.2: Uniones mediante placas-clavo

Figura 6.3.3: Uniones mediante placas-clavo

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6.4.- Debilidades Las debilidades de la madera son la putrefacción, parásitos e incendios. Existen numerosos productos en el mercado para mejorar el comportamiento de la madera frente a estos agentes. 7.- Asignatura Obligatoria “Complementos de Estructuras” 7.1.- Por qué es necesaria una asignatura específica? Las posibilidades de aplicación práctica de las Estructuras Metálicas, de Madera y de Hormigón Estructural son numerosísimas. En las asignaturas en las que se estudia específicamente el uso estructural de estos materiales pueden verse sólo unas pocas aplicaciones. Sin nunca poder llegarse a agotar el tema, el Plan de Estudios incluye una asignatura denominada “Complementos de Estructuras” en la que se abordan algunas temáticas estructurales que pueden presentarse en la práctica profesional las cuales están referidas a:

- Acciones sísmicas y no sísmicas sobre las estructuras - Puentes - Juntas y Apoyos - Estructuras para Edificios - Estructuras de fundación - Reservorios para líquidos y gases - Estructuras sismo-resistentes - Fundaciones de Equipos

En lo que sigue se desarrollan someramente algunos de los puntos anteriores. 7.2.- Estructuras Sismo-Resistentes Dejando de lado los tsunamis que siempre son peligrosos en zonas costeras, los sismos son peligrosos para el Hombre debido a los derrumbes de las estructuras construidas por él mismo. Parada en el medio del campo una persona tiene muy pocas probabilidades de salir herida durante un sismo. Por ese motivo la Ingeniería Sismo-Resistente se ha ido perfeccionando a lo largo del último siglo permitiendo la construcción de estructuras cada vez más seguras.

Figura 6.3.4: Elementos metálicos para diagonales con extremos con placas- clavo

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El tema es muy complejo dado que el análisis tiene que tener en cuenta la interacción entre un fenómeno natural (el sismo) cuya ubicación y características son, en principio, desconocidas, con el terreno de fundación sobre el que se apoya la estructura y con la estructura misma. A lo largo de los siglos las diferentes culturas encontraron la forma de construir estructuras que, mediante diferentes estrategias, pudieran disipar la energía trasferida por los sismos. En los muros incas (Figura 7.2.1) es la fricción entre los mampuestos quien disipa esa energía en forma de calor. En las pagodas japonesas (Figura 7.2.2) las flexibles estructuras de madera disipan energía en las uniones entre los diferentes elementos. En las estructuras modernas el problema es más complejo por su mayor altura, por la cantidad de gente que las habita y por la cantidad de condicionamientos arquitectónicos que se imponen a las estructuras.

Figura 7.2.2: Pagoda Jaonesa

Figura 7.2.1: Muro Inca

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Apoyos de

Aislamiento Sísmico

Desplazamientos

relativos entre

pisos

despreciables

Figura 7.2.3: Comparación entre el comportamiento de dos estructuras gemelas, una sin y otra con aislamiento sísmico

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Los recursos modernos a implementar pueden incluir desde el aislamiento sísmico de la estructura (Figura 7.2.3) al uso de enormes amortiguadores (Figura 7.2.4) que se intercalan en puntos estratégicos de las estructuras. Por otra parte, las estructuras metálicas y las estructuras de hormigón armado requieren el desarrollo de detalles constructivos muy diferentes entre sí.

7.3.- Puentes

Las funciones más comunes para puentes son resistir tránsito carretero o tránsito ferroviario. Los hay también sólo peatonales. Se los denomina comúnmente como “pasarelas” y sus cargas son muy inferiores a las de los usos anteriormente citados. En lo estructural, los puentes se diferencian de los edificios en la magnitud de las cargas que deben resistir y en la separación entre apoyos. A su vez, los puentes

Figura 7.2.4: Amortiguadores en estructura sismo- resistente

Figura 7.3.1: Puente carretero con cargas relativamente bajas al predominar el tránsito de automóviles frente al de camiones

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ferroviarios se diferencian de los carreteros en la magnitud de las cargas a resistir (Figuras 7.3.1 y 7.3.2). Como orientación general puede decirse que una locomotora puede pesar alrededor de tres a cuatro veces lo que pesa un camión. Cuando las distancias entre apoyos a salvar son muy grandes (p.e. cursos de aguas navegables y/o muy profundos) los puentes se vuelven mucho más costosos y comienzan a intervenir otros fenómenos de tratamiento muy complejo como es la acción del viento y su interacción con una estructura. En las Figura 7.3.3 se muestra la falla de un puente colgante por la interacción viento-estructura. Los puentes también presentan diferencias con los edificios en sus infraestructuras, es decir, en los elementos que se emplean para transmitir sus cargas al terreno.

7.4.- Estructuras para Edificios

En zonas no sísmicas, para estructuras de pequeña altura las cargas dominantes son las verticales (p.e. personas, muebles, archivos, etc.). A medida que se gana altura comienza a hacerse sentir la acción del viento y, a partir de un cierto punto la acción del viento obliga a adoptar tipologías estructurales muy diferentes a las de los edificios de pequeña altura para evitar

Figura 7.3.3: Falla del puente Tacoma Narrows por interacción viento-estructura

Figura 7.3.2: Dos locomotoras en tándem arrastrando una formación

Cargas Verticales Cargas de Viento

Figura 7.4.1: Comportamiento de una estructura simple para un edificio en altura

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que los movimientos horizontales del edificios se vuelvan inaceptables y para mantener las solicitaciones sobre la estructura dentro de límites razonables (Figura 7.4.2).

8.- Asignaturas “Estructurales” Optativas 8.1.- Puentes

En esta asignatura optativa se analizan con más detalle los elementos constitutivos de un puente y se resuelven casos prácticos referentes a componentes significativos como son los estribos (elementos extremos de un puente que, además de resistir las cargas provenientes de la superestructura retienen los empujes de suelos provenientes de los terraplenes de acceso). Desde lo práctico también se resuelven tipologías típicas de superestructuras tales como las que se muestran en la Figura 8.1.2 que, aunque llame la atención todas son de uso en nuestro medio para puentes de luces pequeñas (p.e. 6 metros) a

Figura 7.4.2: Tipologías estructurales usuales en edificios de gran altura

Figura 8.1.1: Corte longitudinal de un puente. Nomenclatura

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medianas (p.e. 50 metros). Cada una de estas tipologías presentan diferencias en lo que hace a su proyecto, cálculo y detallado. En la asignatura también se presentan los conceptos básicos referentes a puentes de luces mucho más importantes como es el caso de los puentes suspendidos de cables. Los trabajos prácticos abordan el proyecto integral de un puente y, según las comisiones, se tratarán puentes sobre cursos de agua o sobre carreteras. En el primer caso se verán algunos aspectos singulares de interacción entre el curso de agua y la estructura como son los efectos de socavación del cauce. En esta asignatura se ven también aspectos prácticos relacionados con el desagüe de las estructuras, las juntas entre tramos adyacentes y los apoyos que actúan como transición entre las superestructuras y las infraestructuras.

8.2.- Proyecto Estructural En esta asignatura se analizan con algún detalle, entre otras, las estructuras para edificios en altura y se desarrolla un trabajo práctico centrado en una estructura para un edificio de altura corriente (alrededor de 10 pisos).

Se realiza asimismo una presentación de tipologías estructurales menos frecuentes tales como las cubiertas tipo tensegrity (p.e. Estadio Único de La Plata), las estructuras inflables y las estructuras tipo tienda (p.e. Terminal de Combis de Puerto Madero).

Figura 8.1.2: Secciones de Superestructuras

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

Figura 8.2.1: Tensegrity – Estadio Único de La Plata

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Al comienzo de la asignatura se hace un repaso general de los materiales ya vistos en otras materias y se incorporan otros como el vidrio y las fibras (p.e. fibra de carbono) presentando tipologías estructurales que pueden abordarse con ellos. Se dedica una clase al estudio de estructuras prefabricadas de hormigón armado y pretensado. Finalmente, hay una clase destinada al análisis de las patologías en estructuras y a posibles técnicas de refuerzo y reparación.

Figura 8.2.3: Estructura Tipo Tienda

Figura 8.2.2: Estructura Inflable – Tokyo Dome

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9.- Algunas Preguntas 9.1 Por qué se habla de una “Mecánica Estructural Aplicada”? 9.2 De ejemplos de materiales “reales” utilizados en “Mecánica Estructural

Aplicada” 9.3 Por qué es necesaria una asignatura referida a “Estructuras Metálicas”? 9.4 Enumere algunos materiales comerciales empleados en estructuras metálicas 9.5 Enumere algunos medios de unión utilizados en estructuras metálicas 9.6 Liste vulnerabilidades de las estructuras metálicas 9.7 Por qué es necesaria una asignatura referida al “Hormigón Armado”? 9.8 Qué aporta el hormigón y qué el acero al material “hormigón armado”? 9.9 Qué es lo que “evita” el uso de pretensado en hormigón? 9.10 Por qué es necesario tratar separadamente a las estructuras de madera? 9.11 Enumere algunos materiales comerciales realizados a partir de madera. 9.12 Cuáles son las debilidades de la madera como material estructural? 9.13 Por qué en la actualidad ha cobrado importancia la necesidad de contar con

estructuras sismo-resistentes? 9.14 Indique dos particularidades que distinguen estructuralmente a los puentes de

los edificios 9.15 Que acción comienza a tener importancia cuando aumenta la altura de un

edificio?