SISTEMAS ESTRUCTURALESParticipante. Genesis de la Ch. Mendoza R.

Prof. Arq. Cedilly Guedez

Cátedra. Proyecto de Estructura

INTRODUCCION

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 observe 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. Es por que ello que a

continuación se podrá observar sobre los tipos de sistemas estructurales,

concepto características, ventajas y desventajas, entre otros.

DEFINICION

Un sistema estructural es el modelo físico que sirve de marco para los

elementos estructurales, y que refleja un modo de trabajo. 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).

CARACTERISTICAS Funciones estructurales específicas

como: resistencia a la compresión

o tensión, para cubrir claros

horizontales o verticales, entre

otras.

Forma geométrica u orientación.

Materiales de los elementos.

Forma de unión de los elementos.

Forma de apoyo de la estructura.

Cargas o fuerzas que soporta la

estructura.

Condiciones de uso, función, forma

y escala.

Limitaciones de forma y escala

TIPOS SISTEMAS APORTICADOS

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, 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.

VENTAJAS El sistema aporticado tiene la ventaja al

permitir ejecutar todas las modificaciones

que se quieran al interior de la vivienda, ya

que en ellos muros, al no soportar peso,

tienen la posibilidad de moverse.

Proceso de construcción relativamente simple

y del que se tiene mucha experiencia.

Generalmente económico para edificaciones

inferiores a 20pisos.

El sistema aporticado posee la versatilidad

que se logra en los espacios y que implica el

uso del ladrillo.

El sistema aporticado por la utilización

muros de ladrillo y éstos ser huecos y tener

una especie de cámara de aire, el calor que

trasmiten al interior de la vivienda es mucho

poco.

DESVENTAJAS

Las luces tienen longitudes

limitadas cuando se usa concreto

reforzado tradicional

(generalmente inferiores a 10

metros). La longitud de las luces

puede ser incrementada con el

uso de concreto pretensado.

Generalmente, los pórticos son

estructuras flexibles y su diseño

es dominado por

desplazamientos laterales para

edificaciones con alturas

superiores a 4 pisos.

Este tipo de construcción húmeda

es lenta, pesada y por

consiguiente más cara.

Obliga a realizar marcha y

contramarcha en los trabajos.

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. 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).

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.

Económicamente no se puede fijar un límite de

altura generalizado para los edificios con sistemas

de pórticos rígidos, pero se estima que en zonas

poco expuestas a sismos el límite puede estar

alrededor de 20 pisos. Y para zonas de alto riesgo

sísmico ese límite se tiene que encontrar en

alrededor de 10 pisos.

CARACTERISTICAS

TIPOS SISTEMA DE MUROS PORTANTES

(ESTRUCTURA TIPO TÚNEL)Se conoce como sistema tipo cajón o tipo túnel a los arreglos entre

placas verticales (muros), las cuales funcionan como paredes de carga,

y las placas horizontales (losas). Este sistema genera gran resistencia

y rigidez lateral, pero si la disposición de los muros se hace en una

sola dirección o se utiliza una configuración asimétrica en la

distribución de los muros, se generan comportamientos inadecuados

que propician la posibilidad del colapso.

En los sistemas tipo cajón, las cargas gravitacionales se transmiten a la

fundación mediante fuerzas axiales en los muros, los momentos

flexionantes son generalmente muy pequeños comparados a los

esfuerzos cortantes, por lo cual no se puede esperar un

comportamiento dúctil, al no producirse disipación de energía.

Asimismo, cuando se diseñen estos sistemas, es recomendable

aprovechar la gran capacidad de carga y la gran resistencia y

rigidez lateral, pero recordar que al estar sometidos a considerables

esfuerzos cortantes, se debe diseñar el sistema a grandes cargas

laterales en el rango elástico, para no considerar reducciones

importantes por comportamiento inelástico.

VENTAJAS Es un sistema que constructivamente es rápido de ejecutar, ya que se

utilizan encofrados de acero con forma de “U Invertida” que dispuestos en

el sitio permiten vaciar los muros y las losas de manera simultánea. Se

puede llegar a construir un nivel de 1200 m2 cada 3 días.

Por el tipo de encofrado, el sistema permite que se construyan varios

edificios simultáneamente, ya que mientras un edificio se va desencofrando,

se puede ir encofrando el otro y así cumplir con los tiempos de fraguado

del concreto.

Comparado a un sistema aporticado tradicional, el sistema Tipo Túnel

puede costar entre un 25 a 30% menos. Además de su rápida ejecución,

el hecho de ya tener muros permite un ahorro en costos en la construcción

de las paredes de bloques y el friso de las mismas.

Es un sistema que bien configurado es poco propenso al colapso, ya que

ofrece gran resistencia a los esfuerzos laterales.

Como es un sistema muy rígido, donde casi no se producen

desplazamientos laterales, los elementos no estructurales no sufren daños

considerables.

Termina siendo una estructura mucho más liviana que el sistema

aporticado, y gracias a su rigidez lateral se pueden llegar a construir

edificios de más de 30 pisos de altura.

DESVENTAJAS

Por ser un sistema que posee gran rigidez, estará expuesto a grandes

esfuerzos sísmicos, los cuales tienen que ser disipados por las fundaciones,

esto significa que debe estar sustentado por un suelo con gran

capacidad portante.

Por poseer losas de delgado espesor, la longitud de los ramales de

instalaciones de aguas servidas es limitada. En algunos casos se tiene

que llegar a aumentar el espesor de la losa donde van ubicados los

baños para poder cumplir con las pendientes.

Por la continuidad de los muros en toda su longitud, existirán grandes

limitaciones en cuanto a la distribución de los espacios internos de cada

planta, por lo que su uso principal es de viviendas multifamiliares u

hoteles.

Generalmente se requiere en la planta baja mayores espacios libres, ya

sea para estacionamientos o en el caso de un hotel para el lobby. Como

no se puede aumentar el espesor de la losa, debido al encofrado, se

tiene que implementar el uso de losas post-tensadas, pero esta técnica

no es aplicada en Venezuela.

Puede llegar a ser un sistema muy vulnerable si la configuración

estructural no posee líneas de resistencias en las dos direcciones

ortogonales. Por lo cual es muy importante que exista una interacción

entre Arquitecto-Ingeniero al momento de realizar el proyecto.

CARACTERISTICAS Lo principal en este elemento, es lograr que se a lo

suficientemente resistente para soportar las cargas que le son

transmitidas por los elementos que soportan, como cubiertas,

entrepisos, otros muros superiores, etc. Para lograr la resistencia

necesaria se debe tener en cuenta, el espesor del muro, la

calidad de los materiales con que se construye, la altura y el

tipo de carga que soportará. Los muros de carga reciben y

transmiten las cargas de forma lineal.

De acuerdo al material con que son construidos, pueden ser de

hormigón armado, piedras naturales, ladrillos de barro y

bloques de mortero. Estos últimos son los más usados, debido al

alto costo de los de hormigón, y las piedras están en desuso.

Cuando los muros de carga se construyen de ladrillos, tienen

espesores del largo de un ladrillo (citarón), o sea, unos 0,25 m,

aunque para cargas ligeras se emplea la forma de citara,

teniendo entonces el ancho que es de 0,12 m.

Cuando es de bloques, el espesor será de 0,20 m que es el

ancho estándar de un bloque. Tanto en un caso como en el otro,

los elementos se unen entre sí con una mezcla aglutinante de

cemento, arena y recebo, o de cemento, cal y arena, o de

cemento y arena.

TIPOS SISTEMA COMBINADO

Es un sistema estructural en el cual:

1. Las cargas verticales son resistidas por unpórtico no resistente a momentosesencialmente completo y las fuerzashorizontales son resistidas por murosestructurales o pórticos con diagonales.

2. Las cargas verticales y horizontales sonresistidas por un pórtico resistente amomentos esencialmente completocombinado con muros estructurales o pórticoscon diagonales y que no cumplen losrequisitos de un sistema dual.

Se utilizan es los grandes rascacielos, secombina la acción de los muros perimetrales ycéntricos o núcleo con los marcos y entramados.Los marcos y entramados toman las cargasgravitacionales (Carga Viva y Muerta) y losmuros las cargas laterales (Vientos y Sismos).

TIPOS SISTEMA DUAL

Es un sistema estructural que tiene un pórtico

espacial resistente a momentos y sin diagonales,

combinando con muros estructurales o pórticos con

diagonales para que el sistema estructural se

pueda clasificar como sistema dual se deben

cumplir una serie de requisitos.

De este modo, este es el sistema en el que con

serie de requisito de manera que las cargas son

muy puntuales y divididas a igual forma. Además,

es si esta muy bien planteado pese a los requisitos

ya que no responde a la flexión o pandeo y el

esfuerzo a compresión es directo y puntual son

muy rígidos.

Asimismo, este trabaja muy bien al momento de

los volados o salidas que intervienen ya que

combinamos dos sistemas .

DESVENTAJASVENTAJAS

• Se genera una estructura con una

resistencia y rigidez lateral

sustancialmente mayor al sistema de

pórticos, lo cual lo hace muy eficiente

para resistir fuerzas sísmicas. Y siempre

y cuando haya una buena distribución

de los elementos rígidos.

• se puede obtener las ventajas del

sistema aporticado, en cuando a su

ductilidad y distribución de espacios

internos.

• Es muy común, sobretodo en la vieja

práctica, que cuando se diseñan

estructuras duales se supone que los

muros resisten todas las fuerzas

laterales y el sistema aporticado todas

las gravitacionales.

El problema que posee este sistema

estructural es que hay que ser muy

cuidadoso en cuanto a la configuración

de los elementos rígidos, ya que tienen

una extrema diferencia de rigidez

comparado a los pórticos y esto puede

causar concentraciones excesivas de

esfuerzos en algunas zonas del edificio

y una mala distribución de cargas

hacia las fundaciones.

Se debe ser muy cuidadoso al

momento de diseñar el sistema, ya que

la interacción entre el sistema

aporticado y el de muros es compleja.

El comportamiento de un muro esbelto

es como el de una viga de gran altura

en voladizo, y el problema de

interacción se origina porque el

comportamiento que tendría un sistema

aporticado sería muy distinto al de un

muro de concreto.

CARACTERISTICAS

Este sistema se utiliza cuando

en el edificio se tendrán

fuerzas de distintos tipos: por

compresión, flexión o

tracción.

Se utiliza para proyectos con

características especiales,

como grandes volados o

cargas concentradas en

ciertos puntos.

También se utiliza en

regiones sísmicas.

PERFILES METALICOS ESTRUCTURALES Las Estructuras Metálicas constituyen un sistema constructivo

muy difundido en varios países, cuyo empleo suele crecer en

función de la industrialización alcanzada en la región o país

donde se utiliza. Se lo elige por sus ventajas en plazos de

obra, relación coste de mano de obra – coste de materiales,

financiación, entre otros.

De esta forma, las estructuras metálicas poseen una gran

capacidad resistente por el empleo de acero. Esto le

confiere la posibilidad de lograr soluciones de gran

envergadura, como cubrir grandes luces, cargas importantes.

Los perfiles metálicos son aquellos productos laminados,

fabricados usualmente para su empleo en estructuras de

edificación, o de obra civil. Se distinguen:

Perfil T, Perfiles doble T, Perfil IPN, Perfil IPE, Perfil HE.

Perfiles no ramificados:

Perfil UPN, Perfil L, Perfil LD.

CARPINTERIA METALICASe conoce como empresas de carpintería metálica a las que

utilizan profesionales que se dedican a la fabricación y

comercialización de productos metálicos, como acero y

aluminio, para los mercados de la construcción, industria y

decoración, así como la gama de productos orientada al

cerramiento integral de la vivienda: puertas, ventanas,

persianas laminadas, extrusionadas, de seguridad, cajones

de registro laminados, y de rotura de puente térmico,

contraventanas de lamas orientables, mosquiteras,

accesorios de accionamiento, rejas de hierro y forjado

artístico, entre otros.

Asimismo, en los trabajos más habituales de carpintería

metálica se utilizan el acero (aceros al carbono, aleados, de

baja aleación ultra-resistentes, inoxidables, de

herramientas), hierro, aluminio, cobre, latón, bronce, cristal,

plástico.

Perfiles especiales en carpintería metálica: Tubos. Ángulos o

perfiles en L. Pletinas-perfiles en U. Perfiles en T. Perfiles en

H. Cuadradillos. A todos los materiales les debe ser de

aplicación las Normas locales, u homologación internacional.

CERCHAS METALICASLa cercha es uno de los principales tipos de

estructuras empleadas en ingeniería.

Proporciona una solución práctica y económica a

muchas situaciones de ingeniería, especialmente

en el diseño de puentes y edificios. Una

armadura consta de barras rectas unidas

mediante juntas o nodos.

Los elementos de una cercha se unen sólo en los

extremos por medio de pasadores sin fricción

para formar armazón rígida; por lo tanto ningún

elemento continúa más allá de un nodo. Cada

cercha se diseña para que soporte las cargas

que actúan en su plano y, en consecuencia,

pueden considerarse como una estructura

bidimensional.

Asimismo, todas las cargas deben aplicarse en

las uniones y no en los mismos elementos. Por ello

cada cercha es un elemento sometido a fuerzas

axiales directas (tracción o compresión).

CERCHAS METALICAS

En un sistema estructural conformado

por cerchas, se dispone de un sistema

de arriostramiento lateral a fin de

contrarrestar el desplazamiento

longitudinal de la edificación debido a

las fuerzas transversales.

Una cercha esta formada por los

siguientes elementos:

1. Los miembros de arriba cordón

superior.

2. Los miembros de abajo cordón

inferior.

3. Diagonales.

4. Verticales Montantes o pendolones

dependiendo del tipo de esfuerzo.

CERCHAS METALICASDe acuerdo con la forma de crear la configuración

de una cercha, se clasifican en simples, compuestas y

complejas.

CERCHA SIMPLE:

Una cercha rígida plana puede formarse simple

partiendo de tres barras unidas por nodos en sus

extremos formando un triángulo y luego extendiendo

dos nuevas barras por cada nuevo nodo o unión.

CERCHA COMPUESTA:

Si dos o más cerchas simples se unen para formar un

cuerpo rígido, la cercha así formada se denomina

cercha compuesta. Una cercha simple pude unirse

rígidamente a otra en ciertos nodos por medio de

tres vínculos no paralelos ni concurrentes o por medio

de un tipo equivalente de unión.

MALLA ESPACIALEs una tipología de estructura espacial, un sistema

estructural compuesto por elementos lineales unidos de

tal modo que las fuerzas son transferidas de forma

tridimensional. Macroscópicamente, una estructura

espacial puede tomar forma plana o de superficie

curva.

Las mallas espaciales son aquellas en las que todos

sus elementos son prefabricados y no precisan para el

montaje de medios de unión distintos de los puramente

mecánicos.

Igualmente, las barras de las mallas espaciales

funcionan trabajando a tracción o a compresión, pero

no a flexión. De esta manera las mallas espaciales

cumplen lo siguiente:

Las fuerzas exteriores sólo se aplican en los nudos.

Los elementos se configuran en el espacio de tal

modo que la rigidez de cada unión se puede

considerar despreciable, es decir, cada unión se

considera una articulación a efectos de cálculo.

LOSACERO

El término losacero se define como un

sistema en el cual se logra la interacción

del perfil metálico con el concreto, por

medio de protuberancias que trae consigo.

Parte del espesor de concreto se convierte

en patín de compresión, mientras que el

acero resiste los esfuerzos de tensión y la

malla electrosoldada resiste los esfuerzos

ocasionados por los cambios de

temperatura en el concreto.

Este sistema integra lámina de acero

obtenido por proceso de laminación en

frío galvanizada y conectores de cortante

que van soldados a la estructura de

apoyo. La efectividad del sistema se logra

al unir en uno solo los conectores, la viga,

la losacero y el concreto.

MEMBRANA

Una membrana es un

elemento estructural o

de cerramiento,

bidimensional, sin

rigidez flexional que

soporta tensiones y

esfuerzos normales.

Por ejemplo, la lona

de un circo o la vela

de un barco funcionan

estructuralmente como

membranas.

CONCRETO ARMADO

La técnica constructiva del hormigón

armado consiste en la utilización de

hormigón reforzado con barras o mallas

de acero, llamadas armaduras. También

es posible armarlo con fibras, tales como

fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de

acero o combinaciones de barras de

acero con fibras dependiendo de los

requerimientos a los que estará

sometido.

El hormigón armado se utiliza en

edificios de todo tipo, caminos, puentes,

presas, túneles y obras industriales. La

utilización de fibras es muy común en la

aplicación de hormigón proyectado o

shotcrete, especialmente en túneles y

obras civiles en general.

MUROS PORTANTES

Las Estructuras con Muros Portantes

incluyen un tipo de estructuras donde

los elementos verticales resistentes son

los muros, y no los pilares como en el

caso de las Estructuras de Hormigón

Armado; es decir que el elemento

que recibe las cargas posee una de

sus dimensiones de un grosor muy

inferior a la longitud y la altura.

Dentro de este tipo de estructura,

podemos diferenciar a aquellas que

no poseen armaduras, y por lo tanto

tienen baja resistencia a la flexión y

las que disponen de armadura, que

las asemeja a las estructuras de

hormigón armado.

LA MADERA COMO ELEMENTO ESTRUCTURAL

Los elementos estructurales en madera se remitirán

a esa clasificación: a la compresión y a la flexión,

en el primero de los casos tendremos las columnas

en madera y las viguetas y vigas en madera.

Columnas de madera Los elementos de madera

sujetos a la compresión pueden ser de una sola

pieza de madera maciza o terciada, o bien estar

integradas por varios elementos ensamblados.

El último tipo mencionado consta de dos o más

elementos de madera resistentes a la compresión,

cuyos ejes longitudinales son paralelos. Estos

elementos están separados por medio de bloques

en sus extremos y en sus puntos intermedios, y

unidos a los bloques se paradores de los extremos

por medio de conectores con resistencia adecuada

al esfuerzo cortante. En consideración de la

esbeltez que presente o requiera la columna, estas

serán cortas, medianas y largas.

CONCLUSIONMuchos y variados sistemas estructurales se utilizan en la arquitectura, el tipo de

sistema depende de las necesidades del edificio, la altura del edificio, su

capacidad de carga, las especificaciones del suelo y los materiales de

construcción dictan el sistema estructural necesario para un edificio. En particular,

estos sistemas han evolucionado para centrarse en la construcción a medida que

el suelo no urbanizado se ha vuelto escaso.

Igualmente, un sistema estructural deriva su carácter único de cierto numero de

consideraciones; consideradas por separados, como por ejemplo, funciones

estructurales especificas resistencia a la compresión, resistencia a la tensión; para

cubrir claros horizontales, verticalmente; en voladizo u horizontal. Asimismo,

existen características para calificar los sistemas disponibles que satisfagan una

función especifica.

De este modo, las soluciones estructurales que se adopten en un proyecto están

sujetas a las restricciones que existen con las interacciones de otros aspectos del

proyecto, como el arquitectónico, instalaciones sanitarias, entre otros., también por

limitaciones en costos, procesos constructivos o por tiempo de ejecución. Por otro

lado, la adecuada selección del sistema estructural también depende de la altura

del edificio, riesgo sísmico que exista en el área, capacidad portante del suelo,

entre otros.