E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras

Dedicado a todos aquellos que hicieron de este trabajo

una realidad…

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INTRODUCIÓN

Así como en el ser humano, los sistemas que lo componen son formas estructurales

vitales que dan resistencia y rigidez necesaria y que, trabajando en conjunto con otros

sistemas, cumplen una función en común vital para el desarrollo del individuo, así de

relevante es la estructura en general para el desarrollo de la infraestructura nacional. En

este sentido, la ingeniería civil, específicamente la rama estructural, se presente como

una carrera vital no solo para el diseño de tales elementos, sino también para dar el

estudio orientado que se realiza con el fin de obtener construcciones seguras y

funcionales.

Por este motivo, en el presente escrito se ahondará en el tema de las estructuras y todo

lo que abarque, haciendo énfasis en cada una de sus partes de tal manera que el lector

tenga una primera noción sobre este maravilloso tópico. En el texto, se presentará el

arduo trabajo que se debe realizar, y la responsabilidad que está dispuesto a tomar el

ingeniero estructural, visto de una directa, de tal manera que el lector se informe y con

ello decida dar el paso a su futura especialización en las ramas de la ingeniería civil.

En resumen, se plantea un escrito que informe al lector y le dé una vista panorámica

sobre la ingeniería estructural, y sobre todo las estructuras, tema de nuestra

investigación.

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CAPÍTULO I

INGENIERIA ESTRUCTURAL

Como concepto general se entiende que la ingeniería estructural es una

especialidad derivada de la Ingeniería Civil, destinada a realizar el diseño y el cálculo de

los sistemas estructurales, como edificios, puentes, muros de contención, entre otros, y

los elementos de estos. . En una de sus obras, el famoso ingeniero civil Edward Wilson,

denominó a la ingeniería estructural de la siguiente forma:

“Ingeniería estructural es el arte de usar materiales que tienen propiedades las

cuales solo pueden ser estimadas para construir estructuras reales que pueden ser

analizadas para soportar fuerzas que desconocemos. Esa es nuestra responsabilidad

con respecto a la satisfacción de la seguridad pública”

Dicho de otra manera, es la aplicación de los conocimientos de la Mecánica en el

análisis y diseño de estructuras, para que éstas sean capaces de soportar su propio

peso y las distintas fuerzas y deformaciones a las que se expone durante toda su vida

útil. Así, el ingeniero estructuralista mantiene una participación activa durante la

elaboración del diseño de edificios, puentes, muros, represas, etc., e incluso durante el

desarrollo de la obra, con el fin de garantizar un trabajo de calidad, seguro y funcional.

La ingeniería estructural busca 3 objetivos fundamentales:

Objetivo general: Desarrollar estructuras seguras y funcionales, que

respondan ante determinados eventos, bajo los principios de

funcionalidad, economía y seguridad.

Objetivo del análisis: Determinar las posibles fuerzas internas y

deformaciones sobre una estructura teniendo en cuenta, la forma de ésta,

del tamaño y propiedades del material requerido.

Objetivos del diseño: Correcta selección de los materiales y el

dimensionamiento que componen al sistema estructural.

Estos últimos objetivos se trabajan en forma conjunta. Se puede suponer que

ellos se laboran de forma separada, al finalizar la primera etapa, se inicia la

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búsqueda del siguiente objetivo; sin embargo es necesario hacer un estudio

constante de las respuestas de cargas sobre la construcción u otras fuerzas

no estimadas, para rediseñarlo con nuevos materiales u otras formas que

ofrezcan una estructura rígida y resistente.

MECÁNICA ESTRUCTURAL

“Mecánica” hace referencia al campo de conocimiento y “Estructural” el particular punto

de vista desde donde la estudiamos:

Punto de vista físico (Mecánica propiamente dicha)

Mecánica

Punto de vista estructural

(Mecánica Estructural)

Otras mecánicas ingenieriles

La mecánica estructural es aquella disciplina que estudia las fuerzas ejercidas sobre un

cuerpo además también estudia los efectos que ella produce generando así modelos

matemáticos que tratan de simular y predecir el comportamiento real de dichas fuerzas

y cuerpos. Tiene como objetivo la construcción y el mantenimiento de elementos para el

uso humano, en la forma más racional posible desde el punto de vista de la seguridad,

la calidad y la economía.

El punto de vista estructural está asociado al concepto de estado límite: debido a las

fuerzas que actúan sobre los objetos y construcciones realizados por el hombre, éstos

pueden dejar de cumplir adecuadamente su función. El estado límite es la frontera entre

el funcionamiento aceptable y el inaceptable. Predecir esta circunstancia es el objetivo

primordial de la Mecánica Estructural. Podemos concebir a ésta, como parte de la

Ingeniería Estructural y conteniendo a su vez otras sub-disciplinas, según el siguiente

esquema:

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Punto de vista Ingenieril

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Estática EstructuralCinemática EstructuralResistencia de Materiales (Mecánica de las estructuras de Barras)

Mecánica del Continuo

Mecánica de la FracturaDinámica EstructuralMecánicas particulares (Metales, Maderas, Hormigón Armado, Suelos, Rocas, etc.)Mecánica ComputacionalSeguridad EstructuralAnálisis de CargasDiseño Estructural (aspectos mecánicos)Patología Estructural

Etc.

PRINCIPIOS DE INGENIERÍA ESTRUCTURAL

Antes de poder hablar de principios definiremos cargas estructurales

Carga Estructural. Son aquellas solicitaciones mecánicas (Consecuencia de un sistema

de fuerzas aplicado a un cuerpo) los cuales debe ser incluido en el cálculo de los

elementos mecánicos resistentes. Las cargas estructurales son generalmente

clasificadas como:

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Teoría de la ElasticidadTeoría de la PlasticidadReologíaetc.

Mecánica Estructural

ING.

ESTRUTURAL

Diseño Estructural (aspectos no mecánicos)Representación gráficaMemorias descriptivasInformes técnicos EspecificacionesCómputos métricosPresupuestos Dirección y supervisión de obrasEtc.

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Cargas muertas Son aquellas cargas que actúan durante toda la vida de la

estructura pertenecen a este grupo el peso propio de la estructura, empujes de

líquidos o sólidos, tensores (como en puentes), preesfuerzo.

Cargas vivas Son aquellas debidas al uso u ocupación de la construcción y que la

identifican. Incluyen personas, objetos móviles o divisiones que puedan cambiar de

sitio. Generalmente actúan durante períodos cortos de la vida de la estructura por

ejemplo el tránsito en puentes, cambios de temperatura, maquinaria, acumulación

de nieve o granizo, etc.

Algunos principios básicos del cálculo estructural son:

Aleatoriedad. Existe una incertidumbre del valor de las cargas actuantes, debido

a ello deben ser tratadas como variables aleatorias por lo que un cálculo

estructural seguro se incluirá la determinación de valores estadísticos. Así se

define el valor característico de una carga F de efecto desfavorable como el valor

tal que:

Método de estados límites. Consiste en identificar un conjunto de situaciones

potencialmente peligrosas para la estructura, esto se verifica cuando el valor de

cierta magnitud supera un cierto umbral. El cálculo estructural consiste en

identificar un conjunto de magnitudes relevantes y comprobar que para todas

ellas se cumple que:

Hipótesis de carga. Dadas las incertidumbres, ya mencionadas, existentes

sobre una estructura y las diferentes condiciones a las cuales está sometida la

estructura no resulta posible determinar mediante un único cálculo el efecto

general de las cargas. Por esa razón la mayoría de instrucciones técnicas

establecen diferentes combinaciones de carga, que en su conjunto reproducen

situaciones cualitativamente diferentes que pueden ocurrir durante la vida útil de

una estructura.

PROCESO DE DISEÑO:

Durante el desarrollo de una obra de ingeniería civil, se pueden apreciar de forma

general los siguientes pasos:

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Etapa de concepción: Fase inicial del proyecto en el cual se aprecian las

necesidades actuales del cliente y la planificación para lograr satisfacerlas.

Etapa de elaboración de diseño: Fase en la cual se analiza y se calcula el

“esqueleto” que define las propiedades del sistema.

Etapa de Fabricación: Fase en la cual se inicia la construcción de la estructura

diseñada anteriormente.

Cobra vital importancia el Proceso de diseño, el cual permitirá la correcta elaboración de

la estructura de la obra. Ingenieros civiles mexicanos plantean la división de dicho

proceso en 3 partes:

1. Estructuración:

“Etapa en la cual se define el sistema estructural, de forma global, que brindará

resistencia a la obra, ante las acciones (cargas) que la afecten. Así como

determinar el material correcto para su elaboración” (Colina M. y Ramírez del

Alba, 2000).

Realizando el análisis de las posibles cargas y fuerzas externas, se realiza el

primer boceto de la estructura. Así también se procede a seleccionar los

materiales que mejor se adapten al sistema creado. En esta etapa la creatividad

del ingeniero estructuralista juega un rol sumamente importante pues la

estructuración da el primer gran impacto para el proyecto.

2. Análisis:

“Etapa en la que se evalúa la respuesta del sistema ante las acciones que se le

presenten (…) como, las fuerzas internas de la obra en construcción provocadas

por las cargas, o fuerzas externas provocadas por el viento y vibraciones del

suelo” (Colina M. y Ramírez del Alba, 2000).

Durante esta etapa, se estiman las magnitudes y la distribución de las acciones

sobre la estructura, aplicado a un modelo (analítico). Ello se realiza con el fin de

determinar la respuesta del sistema ante dichas fuerzas, de tal manera que una

vez construida no se presenten condiciones inadmisibles en términos de

seguridad y funcionalidad.

Así también, en esta fase se obtiene información sobre la fuerza que ejerce el

sistema sobre el suelo en el cual se encuentra. Esto es útil para desarrollar un

buen diseño de la cimentación.

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3. Dimensionalismo: “Etapa en la que se evalúa las dimensiones y características

de los elementos de la estructura, luego de ser analizada correctamente. Con el

fin de que estos puedan responder adecuadamente ante las cargas constantes”

(Colina M. y Ramírez del Alba, 2000).

Durante esta fase, no solo se asegura el correcto y seguro dimensionamiento de

las partes del sistema estructural, sino también, que la construcción no pierda

mucho su forma original o que termine deformándose.

Para la correcta elaboración del sistema, es necesario que se cumplan los 3

procedimientos resueltos anteriormente de tal manera que sigan un orden y

coherencia, para ello es necesario el trabajo conjunto de ingenieros

estructuralistas, y otros profesionales como arquitectos, maestros de

construcción e incluso otros ingenieros especialistas en instalaciones, etc.

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CAPÍTULO II

ESTRUCTURAS

ESTRUCTURAS

Proveniente del termino latín structura. Hace referencia a un conjunto de

elemento imprescindible dentro de un todo. En el campo ingenieril cuando se habla de

estructura se hace alusión a los elementos que cumplen la función de resistir las cargas

resultantes de su uso y de su peso propio y darle forma a un cuerpo, obra civil o

máquina. Para ello debe cumplir la condición de estabilidad y equilibrio. La primera

condición se vincula con los movimientos de las edificaciones. Esto evita posibles

derrumbes a causas de factores externos. La segunda condición, el equilibrio, garantiza

también la inmovilidad, pero a su vez no permite que se altere la forma de la edificación.

Ejemplos de estructura son: puentes, torres, edificios, estadios, techos, barcos, aviones,

maquinarias, presas y hasta el cuerpo humano.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Así como las estructuras son las partes en las que está constituido un sistema

(Edificación). Una estructura es la unión de muchas partes (Todas ellas imprescindibles)

a las cuales llamaremos elementos estructurales. Podemos clasificarlos:

1. Según sus dimensiones:

Lineales. Son aquellos donde una dimensión es mucho mayor a

comparación de las otras 2; esto debido a que estuvo sometido a una

tensión constante.

Ejemplo. Columnas, vigas, dinteles, etc

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Bidimensionales. Son aquellos en los que una dimensión (Llamada

también espesor) es mucho menor que las otras dos.

Ejemplo. Muros de contención, muros de carga, paredes, etc.

Tridimensionales. También llamado volumétricos; en estos elementos no

existe una diferencia abismal entre sus dimensiones

2. Según la posición que ocupan y el esfuerzo que soportan:

Viga o vigueta. Es un elemento lineal, es decir dos de sus dimensiones

son menores que la restante. La dimensión mayor es la que soportara la

mayoría de las cargas; esto hace que esté sometido a constantes

esfuerzos de flexión

Pilar o columna. Son elementos lineales pero a diferencia de las vigas las

columnas son verticales (la dimensión mayor pertenece al eje y). Las

cargas actúan sobre el eje de las ordenadas, es por eso que los

principales esfuerzos que soporta son la compresión y el pandeo.

Columna soportando carga axial a la izquierda y a la derecha una columna soportando carga excéntrica

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Cimientos. Son los elementos encargados de soportar y repartir en la

tierra todo el peso de la estructura, impidiendo que ésta sufra

movimientos importantes. Soporta esfuerzos de compresión

Cimiento Lineal o zapata.

Este es el tipo de cimiento más común, consiste de una

banda continua que soporta un muro de carga a lo largo de

su longitud. Esto hace que el soporte se distribuya

uniformemente

Cable. También llamados elementos tirantes o tensores. Estos elementos

están sometidos a esfuerzos de tracción ya que no pueden soportar

esfuerzos de flexión; tienen como misión dar mayor rigidez y resistencia a

la estructura.

Cable tensionado, sometido a esfuerzos de tracción

Muro. Es un elemento bidimensional (plano) las cargas que se ejercen

sobre el muro actúan por lo general sobre las dimensiones mayores;

estas a su vez generan esfuerzos perpendiculares a el área de contacto y

paralelos entre sí. Los muros también tienen como función soportar las

cargas axiales (Fuerza que se efectúan sobre el eje longitudinal)

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SISTEMA ESTRUCTURAL

En el campo de la ingeniería civil se busca que la obra en cuestión cubra

necesidades específicas de diseño, construcción, funcionalidad y económicas. Así

también, es necesario idealizar un sistema que tome ciertos elementos y los utilice a

favor de la seguridad y funcionalidad del proyecto. Es así que nace el concepto de

“Sistema estructural”.

En palabras sencillas, el sistema estructural se define como el conjunto asociado de

elementos estructurales que tienen como finalidad soportar a la edificación misma y

las cargas a las que se exponga enviándolas directamente al suelo. Dicho de otra

forma, el sistema estructural está compuesto por varios elementos de la estructura

que, en su totalidad, son capaces de soportar cargas sin mostrar deformaciones o

algún cambio aparente en su forma y diseño. Con ello, se busca ejecutar el Proceso

de Diseño, tomando que el sistema no solo cumpla con un buen diseño

arquitectónico y la normativa legal de construcción, sino también, sea capaz de

ofrecer las respuestas estudiadas ante las cargas externas e internas, de forma

satisfactoria.

TIPOS DE SISTEMA ESTRUCTURAL

Dependiendo de la magnitud y la disposición de las cargas de una estructura, así como

la forma de la estructura, se han logrado ubicar los siguientes principales tipos de

sistemas estructurales:

S. Estructural Reticular

S. Estructural Laminar

S. Estructural Masivo

S. Estructural Mixto

A. SISTEMA ESTRUCTURAL RECTICULAR

Básicamente son estructuras compuestas por elementos, en los cuales una de

sus dimensiones es mucho mayor que las otra dos. Se encuentran construidos en

un mismo espacio. En este sistema se encuentran:

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o Sistema de armaduras:

Son estructuras las cuales toman una forma de prisma, generalmente

regular, cuyos elementos están unidos por articulaciones o nudos sin

fricción, formando caras triangulares. Generalmente, a este sistema le

afectan fuerzas de comprensión y tensión, tendiendo a soportar grandes

cargas, pese a ser muy livianos.

Entre las principales ventajas, se tiene:

Gracias a la forma triangular que

posee, permite mayor distribución de

cargas, es decir, hace la estructura

más liviana, de forma más

económica.

Debido a su forma, es

recomendable para la cubierta de

edificios como iglesias, estadios, etc.

Es muy utilizado para la construcción

de puentes.

o Sistema de Pórticos

Conocido también como sistema de Marco Rígido o Pórtico resistente, es el tipo

de sistema estructural más común en la actualidad, sea para edificios de

concreto o acero. Posee marcos formados por columnas y vigas formando

uniones rígidas capaces de transmitir las cargas hacia las columnas, sin que

haya desplazamiento del lugar.

El problema con esta estructura radica en la flexibilidad de sus materiales y la

poca resistencia que ejerce frente a fuerzas laterales.

Entre las principales ventajas que se pueden contar es:

Permite mayor distribución en los

espacios libres de la estructura.

Permite una amplia diversidad en su

diseño.

Generalmente es económico para

edificios menores a 20 pisos.

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B. SISTEMA ESTRUCTURAL LAMINAR:

Son estructuras que se caracterizan por estar principalmente compuestas de

elementos cuyo espesor es mucho menor a las otras dos dimensiones. En este

caso se tiene:

o Sistema de muros

Este sistema es clásico. Consiste en una serie de losas y vigas (o trabes) que

transmitirán las fueras verticales de la estructura a los muros, los cuales a su vez

transmitirán dichas fuerzas (o cargas) hacia la cimentación de la construcción.

Los materiales destinados para esta clase de muros pueden ser: Naturales

(piedras en distintos tipos y formas) o Artificiales (Concreto armado, adobe, etc).

Estos muros deberán tener un espesor que esté dirigido en relación directa con

el peso que soporta de la estructura, es decir, mientras mayor sea la altura del

edificio, mayor será su peso y por ende, mayor espesor de los muros, lo que

conllevaría a una reducción del área de los

primeros pisos.

Inicialmente, estos muros se hacían de

mampostería, dirigidos a obras cuya altura de

edificios en general no pasaba de 5.

Hoy se conoce que es mejor utilizar concreto.

Las ventajas de utilizar este sistema son

múltiples, siendo las más resaltantes:

Rápida ejecución de obra, mayor

rendimiento de este.

Gracias a la rigidez lateral del sistema, permite a la obra resistir el

colapso o desplazamientos horizontales, así como la construcción de

hasta edificios de 30 pisos.

C. SISTEMA ESTRUCTURAL MASIVO

Son aquellas estructuras en las cuales sus elementos componentes poseen las tres

dimensiones sin mucha diferencia. Para realizar estos sistemas se necesitan

grandes cantidades de material. También se le conoce como estructura masiva a

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aquellos sistemas sólidos y macizos que se construyen con bloques sin dejar

espacios huecos o vacíos.

En este sistema se encuentran los muros de contención, las represas, etc.

D. SISTEMA ESTRUCTURAL MIXTO (SISTEMA DUAL)

Este sistema se usa principalmente en zonas de actividad sísmica, ya que sobre

el edificio actuarán distintas fuerzas en distintas direcciones, es decir, fuerzas de

comprensión, tracción o flexión.

Consta en la combinación de un tipo de pórtico simple que resiste fuerzas

verticales con las de pórticos con diagonales de tal manera que ofrezcan mayor

resistencia a fuerzas laterales.

Este sistema posee ciertas ventajas las cuales

son:

Se genera una estructura con mayor

resistencia y rigidez a fuerzas laterales a

comparación del sistema de pórticos

común.

También ofrece amplia diversidad en el

diseño.

Ejerce mayor resistencia por lo cual

permite la construcción de una mayor

cantidad de pisos.

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CAPITULO III

ESTRUCTURAS DE TIERRAS LINEALES

Las obras de infraestructuras lineales tales como las carreteras de ferrocarriles,

transporte pesado, transporte liviano, etc., se pueden considerar como “estructuras”

artificiales diseñadas principalmente para soportar las cargas móviles, es decir el

transporte, sobre dichos sistemas sin el riesgo de perjudicar a los elementos que

transcurren a través de ellos.

Sin embargo, para la existencia de dichos sistemas estructurales hechos a base

de material artificial, es necesaria la existencia de “estructuras de tierra” propiamente

dichas, las cuales permitirán el desarrollo y construcción de las carreteras.

Entre estas estructuras lineales encontramos 3:

Terraplén

Concepto relacionado con la Ingeniería civil, un terraplén es aquella porción de tierra

destina a rellenar un terreno con la finalidad de poder levantar su nivel y servir como un

plano de apoyo para la construcción de una obra. Por lo general un terraplén es utilzado

para la construcción de carreteras

Su ejecución comprende las operaciones siguientes:

Preparación de la superficie de apoyo del relleno tipo terraplén.

Extensión de una capa.

Humectación o desecación de la capa.

Compactación de la capa.

Zonas de un terraplén. En los rellenos tipo terraplén se distinguirán las cuatro

siguientes zonas, cuya geometría se definirá en el Proyecto:

Coronación: Es la parte superior del relleno tipo terraplén, sobre la que se apoya

el firme, con un espesor mínimo de dos capas y siempre mayor de cincuenta

centímetros (50 cm).

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Núcleo: Es la parte del relleno tipo terraplén comprendida entre el cimiento y la

coronación.

Espaldón: Es la parte exterior del relleno tipo terraplén que, ocasionalmente,

constituirá o formará parte de los taludes del mismo. No se considerarán parte

del espaldón los revestimientos sin misión estructural en el relleno entre los que

se consideran, plantaciones, cubierta de tierra vegetal, encachados,

protecciones antierosión, etc.

Cimiento: Es la parte inferior del terraplén en contacto con la superficie de

apoyo. Su espesor será como mínimo de un metro (1 m).

PEDRAPLÉN

Según la normativa ADIF, se define pedraplén como “el extendido y compactación de

materiales pétreos idóneos, procedentes de excavaciones en roca”. Es frecuentemente

utilizado para la construcción de rellenos que sean de gran altura o sean inundables, y

está principalmente formado de rocas de gran tamaño que oscilan entre los “100 y los

900 mm”

A diferencia de los terraplenes, los pedraplenes son mucho más resistentes a la erosión

(meteorización) y a la inundación. Es por ello que la principal diferencia entre

terraplenes y pedraplenes se encuentra a través de pruebas de ensayo de

granulometría y estabilidad del material frente a agua.

Para la realización del pedraplén, se comprenden los siguientes pasos:

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Terraplén de carretera señalando las diferentes capas que contiene

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Preparación de la superficie de apoyo del pedraplén.

Excavación, carga y transporte del material pétreo que constituye el pedraplén.

Extensión y compactación del material en tongadas. Este proceso se realizará

cuantas veces sea necesario.

De forma análoga al terraplén, el pedraplén comprende las siguientes zonas:

Transición: Es conocida como la parte superior del pedraplén y tiene como

mínimo un metro de profundidad.

Núcleo: Parte comprendida entre la zona de transición y el cimiento.

Cimiento: Es la parte inferior del pedraplén la cual se encuentra adyacente al

terreno de apoyo, con un espesor mínimo de un metro.

Espaldón: Parte exterior del pedraplén cuya función es homóloga al terraplén.

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BIBLIOGRAFIA

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