CRITERIOS PARA
DISEÑO
ESTRUCTURAL
SEXTO SEMESTRE STEPHANIE ALVEAR
Interacción suelo-estructura
• Es importante para entender los movimientos que se producen y saber como reaccionan los edificios
• FUERZAS DE INERCIA:
- Es la propiedad de un cuerpo a permanecer en un estado de reposo hasta que se le aplique una fuerza, un sistema tiene más inercia cuando resulta más difícil lograr un cambio en su estado.
•El movimiento del suelo se transmite al edificio generando fuerzas de inercia .
•La distribución irregular de masas en los entrepisos puede hacer colapsar a un edifico.
•Cuando una edificación entra en movimiento sísmico conserva su estado de movimiento inercial.
•Un incremento de masa produce un aumento de las fuerzas horizontales a ser resistidas.
•El incremento de masa origina un mayor momento, la carga vertical es la que casi siempre hace que un edificio colapse hacia abajo y no hacia adelante.
Zona sísmica e Interacción
suelo-estructura
•
El CEC-2001 diferencia 4 tipos de suelos
de cimentación y especifica los
siguientes parámetros para definir la
geología locas S y los perfiles de suelo
CM:
•
El CEC-2001 zonifica al país en 4 sectores
de acuerdo al riesgo sísmico:
Interacción suelo-estructura
•
El valor de C, una vez calculado con la ecuación anterior no debe ser menor
a 0.5 ni requiere superar el valor Cm de la tabla.
•
A continuación se presenta un diagrama que resume los valores del
coeficiente C de interacción suelo - estructura:
Para un mismo período de
vibración de la estructura,
los suelos de cimentación
más competentes definen
un coeficiente de
interacción suelo-
estructura menor y por
consiguiente las fuerzas
sísmicas que actúen sobre
la estructura también son
menores.
Sistemas resistentes
•
El arquitecto debe conocer de antemano la
mecánica de trabajo de las formas estructurales
para aplicarlas en sus diseños.
•
El concepto de sistemas resistentes tiene que ver
en su mayoría con los pórticos de hormigón armado
y de manera limitada con el uso de tecnologías
nuevas.
Sis tem as re sis ten tes : H o rm igón / Me tá lic o s Arcos Pórticos Cerchas Celosías BóvedasPara resistir fuerzas sísmicas se emplea un número reducido de componentes:
Sistemas
resistentes
Formas
activas
•
Se puede conocer el mecanismo de
funcionamiento de estructuras regulares
pero de estructuras irregulares y de
estructuras mixtas se desconocen.
•
Las fuerzas sísmicas son más complejas que
las fuerzas gravitacionales y siempre se deben
visualizar en 3 dimensiones y actuando
dinámicamente.
•
Todos los sistemas resistentes deben ser
diseñados para resistir fuerzas de sismo que
generalmente alcanzan el 100% de los valores
de las cargas de gravedad.
Período y resonancia
(interferencia constructiva)
• PERIODO: tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de una oscilación.
• RESONANCIA: respuesta específica de un sistema capaz de oscilar con un cierto período.
Todo tipo de suelo produce movimientos los cuales generan ondas que se propagan por todas las superficies, para lo que la estructura debe aceptar este movimiento y no producir daños en su esqueleto.
El período de vibración de la estructura no debe entrar en fase con el período de vibración del suelo.
Los períodos naturales del suelo están entre 0.5 y 1 seg.
Por lo que se debe conseguir un período de vibración distinto para la edificación cao contrario puede entrar en resonancia. La suma de las amplitudes de ambos movimientos
ondulatorios y su superposición se llama interferencia constructiva.
•
La resonancia o interferencia constructiva significa la
amplificación de las ondas sísmicas provocando una
amplificación excesiva de la respuesta estructural.
•
Los períodos naturales de los diferentes tipos de suelo
dependen de sus propiedades físicas. Cuando se diseña es
conveniente estudiar los períodos fundamentales tanto del
edifico como del lugar y evitar la resonancia.
•
Mientras las estructuras son más altas su comportamiento es
más flexible, su período es más alto y su rigidez es menor.
En septiembre de 1985, miles de
construcciones mexicanas se
derrumbaron porque el sismo tenía
una frecuencia que era igual a las
frecuencias de oscilación de los
edificios. Entraron en resonancia y
no contaban con mecanismos para
amortiguar las vibraciones
ESPECTROS DE RESPUESTA
•
Relaciona la naturaleza del movimiento
del suelo con un intervalo de períodos
naturales y representa el
comportamiento del suelo.
•
El espectro no es más que el promedio
de los sismos ecuatorianos en un sitio
determinado donde la edificación se
comportaría de esa manera y no de
otra.
•
Para la colocación de las fuerzas
horizontales por piso se considera la
posición más desfavorable
incorporando la excentricidad
accidental del 5% de la luz mayor para
ambos ejes.
•
Para observar la interacción suelo vs.
Estructura se deben reducir las acciones
sísmicas por medio de un factor de
reducción de respuesta estructural R con
el objeto de proporcionar a la estructura
la capacidad de deformarse más allá de
su rango elástico sin colapsar.
•
1< R < 12
•
R, convierte a la estructura en flexible y
aumenta la flexibilidad del sistema
estructural.
•
La estructuración consiste en hacer
diferente el período del suelo con el de
la estructura. En estructuras altas se
obtienen períodos altos y son flexibles; y
en estructuras bajas se obtienen con
periodos bajos y son estructuras rígidas
Estructura menos rígida ductilidad sobrerresistencia Amortiguamiento Hiperestacidad
• Los edificios en hormigón no pueden oscilar con la libertad de un péndulo, son ineficientes para vibrar y cuando se ponen en movimiento tienden a regresar rápidamente a su posición de equilibrio.
• El amortiguamiento se parece a una fuerza de rozamiento interno de los materiales, donde los valores bajos del amortiguamiento pertenecen a los
materiales más perfectos. Las estructuras metálicas tienen poca capacidad para amortiguar, en cambio poseen poco peso y mucha resistencia además, oscilan por largo tiempo.
• El mayor o menor amortiguamiento en un edificio depende de sus conexiones estructurales, de la posición de su centro de gravedad, de los elementos no estructurales y de los materiales.
Amortiguamiento:
• Cuando las presiones sobre el suelo son muy grandes se hace necesario aliviar esas presiones por medio de una losa de cimentación, la cual contribuye a
amortiguar las fuerzas sísmicas atenuando las aceleraciones que se transmiten hacia la estructura ya que se redistribuyen los esfuerzos sobre el suelo.
•
La rigidez es el concepto más importante de ingeniería sísmica y lo
opuesto a la flexibilidad. Puede definirse como la acción necesaria
para producir un desplazamiento unitario. La medida de la rigidez
es la deflexión.
•
Para elementos estructurales que soportan cargas el aspecto más
importante es la rigidez, todos los elementos estructurales deben
ser rígidos y a la vez flexibles.
•
Los cálculos estructurales se hacen estudiando las deformaciones
antes que la resistencia.
Resistencia y Rigídez:
El problema de la
resistencia consiste en
saber como un
elemento debe resistir
una carga sin exceder
el esfuerzo permitido,
se debe dotar de la
rigidez necesaria para
controlar la deflexión y
prevenir que se
Ductilidad
Se llama ductilidad a la capacidad que posee un material para deformarse más allá del rango elástico sin pérdida significativa de resistencia.
• Ductilidad= deformación última/ deformación en fluencia
Cuando una estructura se deforma es debido a que posee cierta ductilidad y que por eso su aceleración baja, volviéndose menos rígida, hay que bajar la aceleración del edificio reduciendo el factor de respuesta estructural R y bajarán las fuerzas sísmicas sobre la estructura, la estructura se convierte en más flexible y rígida mientras su período T aumenta.
Cuando se cumple con toda reglamentación del ACI se llega a una
ductilidad global de 3 a 5 que significa las veces que una estructura puede soportar cargas excesivas.
Los materiales como bloques o
cemento no son dúctiles y poseen un corto período de vibración presentando facilidad para agrietarse.
La ductilidad es la clave del diseño estructural, se cumple solo cuando existe un buen diseño estructural permitiendo soportar grandes fuerzas de sismo.
Viga larga contra viga corta
•
Es un problema general de irregularidad en planta y de un
inconveniente trabajo estructural. En vigas continuas la diferencia de
dimensiones entre vanos produce deformaciones hacia arriba.
•
Las deformaciones en la viga por carga vertical se producen en el
vano largo y suceden hacia abajo mientras que en el vano corto
suceden hacia arriba.
•
La columna extrema de la luz larga debe poseer mayor rigidez que la
del lado corto.
•
La concentración de esfuerzos en el vano corto, columnas y vigas
causan torsión en planta.
Torsión
•
La simetría es una característica valiosa
para la configuración de edificaciones
resistentes a sismos.
•
La rotación de la planta produce
momentos torsionantes en columnas
alejadas del centro de rigidez y la falla se
produce debido a las fuerzas cortantes
por torsión.
•
Toda planta irregular implica la presencia
de efectos torsionantes que deben ser
controlados.
Diafragmas de piso
•
Son pisos rígidos capaces de transmitir cargas horizontales hacia
las columnas o muros. El diafragma actúa como una viga
horizontal tipo I como alma de la viga y sus bordes actúan como
alas.
•
Si las losas de entrepiso son abiertas se debilita su capacidad
para resistir fuerzas y generan tensiones en la orilla de la
Pórticos resistentes a momentos
•
Son estructuras continuas que pueden estar formadas por un
número variable de elementos y se pueden dividir en articulados
y empotrados.
•
Los pórticos se diseñan como pórticos dúctiles, para tener
capacidad adicional para resistir cargas en el intervalo inelástico
anterior a la falla.
•
Para estructuras de poca altura el uso de pórticos dúctiles tiene
la ventaja de hacer más sencilla la planificación arquitectónica ya
que las dimensiones de los vanos pueden diseñarse en tamaño
variable, son más flexibles que las estructuras con muros.
•
El comportamiento de las estructuras está determinado por si
nivel carga última vs. Deformación más que por las cargas de
servicio, su seguridad está dada por la máxima capacidad de
carga de las secciones que implican un cierto tipo de falla
Muros resistentes a fuerzas
cortantes
•
Los muros deben ser continuos a
toda su altura y están diseñados para
resistir fuerzas laterales provenientes
del sismo transmitido por los
diafragmas de piso y transmitirlos al
suelo.
•
Las fuerzas que reciben estos muros
son predominantemente de corte. En
una edificación de altura el tamaño y
localización de los muros de corte son
críticos pues deben absorber por lo
menos el 75% de las fuerzas
horizontales que actúan en el
entrepiso y deben ser continuos en
toda la altura del edificio.
Pórticos arriostrados con
diagonales
•
Los pórticos arriostrados con
diagonales funcionan al corte, el
arriostramiento se hace con
perfiles de acero en compresión, y
tracción asegurándose el
comportamiento elástico de las
barras, son tan resistentes como
los muros de corte.
Distribución de masas y comportamiento sísmico
•
La forma, el tamaño, propiedades y localización de los elementos
estructurales y no estructurales; componen la distribución de
masas e influyen en su comportamiento mecánico.
•
Un edificio constituido por partes irregulares, una distribución
irregular de masas tendrá diferentes resistencias y rigideces en
distintos lugares, esto hace que el comportamiento sea como el
de un material heterogéneo.
•
Las fuerzas sísmicas son variables con el tiempo y originan
movimientos dinámicos en la estructura, los desplazamientos
también varían con el tiempo y están de acuerdo a la distribución
de rigideces.
•
Todo calculo dinámico asocia aceleraciones, masas, fuerzas
amortiguadoras y rigideces de los elementos.
ESCALA
•
En un edificio de considerable altura la violación
de los principios de distribución y proporción de
masas inerciales implica costos altos y a medida
que la altura crece, las fuerzas de inercia también
crecen.
•
No se puede alterar el tamaño de una estructura
en sus componentes y conservar el mismo
comportamiento estructural.
Pueden considerase edificaciones bajas
aquellas cuyos períodos sean de 0.4 a 0.5
segundos.
En estructuras con períodos altos la
irregularidad en planta genera grandes
fuerzas excéntricas sobre muros y
Altura
•
A medida que un edificio aumenta su altura, también lo hace su
período de vibración y la magnitud de las fuerzas. Es muy poco
probable que un terremoto genere períodos de 2 segundos,
este dato debe servir para romper la resonancia.
•
El período de vibración de un edifico depende también de la
relación entre la altura y ancho global, alturas de pisos, anchos
de materiales y sistemas estructurales …
Muy raras veces la altura por si sola
constituye una variable que se deba controlar
para atenuar el problema sísmico.
Tamaño horizontal
•
Cuando la planta se vuelve
extremadamente grande, el edificio
puede tener dificultad para responder
como una unidad a las vibraciones
sísmicas requiriéndose juntas sísmicas y
de dilatación.
•
Al determinar fuerzas sísmicas se supone
que la superficie vibra como un sistema,
en la realidad, la propagación de las ondas
sísmicas no es instantánea.
•
Los esfuerzos por temperatura
preexistentes y los esfuerzos de
asentamiento son mayores en edificios
con grandes dimensiones en planta y
pueden sumarse a los esfuerzos inducidos
por fuerzas laterales.
Sueldas
•
La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos
materiales, a través de la fusión, en la cual las piezas son soldadas fundiendo ambas
y agregando un material de relleno fundido, para conseguir un baño de material
fundido que, al enfriarse, se convierte en una unión fija.
•
Soldadura Eléctrica.- Uso de la electricidad como fuente de energía para la unión
metálica.
•
Soldadura con Arco.- Estos procesos usan una fuente de alimentación para
soldadura para crear y mantener un arco eléctrico entre un electrodo y el material
base para derretir los metales en el punto de la soldadura. Pueden usar tanto
corriente continua (DC) como alterna (AC), y electrodos consumibles o no
consumibles los cuales se encuentran cubiertos por un material llamado
revestimiento .
•
Las superficies deben observar las siguientes recomendaciones:
-
Limpieza de la superficie
-
Libre de encamaciones
-
Que no tenga corrosión localizada o total
-
Que no tengan pintura.
Piso blando
Son edificaciones cuyo planta baja es más débil que las plantas superiores, en cualquier nivel crea problemas pero una discontinuidad de rigidez en el primer o segundo piso tiende a provocar la condición más grave de inestabilidad.
Se pueden dar dos casos:
1. Falta de rigidez por discontinuidad de muros
2. Falta de rigidez por diferencia de altura de columnas en planta baja en relación a los pisos superiores.
Un piso blando incrementa la flexibilidad de la estructura provocando grandes
deflexiones en el primer piso y concentración de fuerzas en las conexiones del segundo piso.
Existe piso débil cuando hay una discontinuidad significativa de resistencia y rigidez entre la estructura vertical de un piso y el resto de la estructura, esto se puede producir debido a que generalmente el primero es más alto que los demás produciendo una disminución de la rigidez.
Hay que evitar las formaciones de columnas largas con un cambio brusco en la rigidez, se debe incrementar la rigidez de las columnas.
Aumentar la rigidez lateral de esta planta mediante la colocación de muros estructurales adicionales entre individuales elementos en el piso suave.
El aumento de la rigidez lateral de esta planta mediante la colocación de diagonales de acero entre las columnas y muros de corte,
Poner un material flexible entre las columnas y paredes en el piso alto de la planta por lo tanto suave evitando que trabajen conjuntamente con el piso suave.
El aumento de la rigidez de los pisos blandos mediante el refuerzo de las columnas de los pisos suaves.
Placa colaborante
• Características:
- Elimina el uso de encofrados y apuntalamientos
- Instalación ultra rápida
- Reduce consumo de hormigón y hierro
- Sustituye el acero de refuerzo positivo
- Gran ahorro de mano de obra
- Fabricación a medida
- Sismo resistente Es una placa colaborante de diseño
estructural con recubrimiento galvanizado y un diseño moderno de geometría trapezoidal, que cumple con los requerimientos para la construcción de losas de entrepiso y cubiertas;
adaptándose tanto a sistemas de hormigón como metálicos e
Acero a36
El acero A36 es una aleación de acero al carbono de propósito general muy comúnmente usado en los Estados Unidos, aunque existen muchos otros aceros, superiores en resistencia, cuya demanda está creciendo rápidamente.
La denominación A36 fue establecida por la ASTM (American Society for Testing and Materials).
El acero estructural A36 o acero estructural con carbono, es hasta hace poco tiempo, el acero estructural básico utilizado más comúnmente en construcciones de edificios y puentes.
El acero A36 es el más generalizado de los aceros laminados en caliente. Por lo general, está disponible en barra redonda, barra cuadrada, barra rectángular, así como perfiles de acero tales como vigas I, vigas H, ángulos, y canales. El proceso de laminado en caliente significa que la el procesamiento de superficie de este acero será algo difícil.
Tipos de perfiles
El tipo de perfil de las vigas de acero, y las cualidades que estas tengan, son determinantes a la elección para su aplicación y uso en la ingeniería y
arquitectura. Entre sus propiedades están su forma o perfil, su peso, particularidades y composición química del material con que fueron hechas, y su longitud.
El área transversal del laminado de acero influye mucho en la resistencia que está sujeta por efecto de fuerzas.
Ángulos estructurales L
Es el producto de acero laminado que se realiza en iguales que se ubican equidistantemente en la sección transversal con la finalidad de mantener una armonía de simetría, en ángulo recto. Su uso está basado en la fabricación de
estructuras para techados de grandes luces, industria naval, plantas industriales, almacenes, torres de transmisión, carrocerías, también para la construcción de puertas y demás accesorios en la edificación de casas.
Vigas H
Producto de acero laminado que se crea en caliente, cuya sección tiene la forma de H. Existen diversas variantes como el perfil IPN, el perfil IPE o el perfil HE, todas ellas con forma regular y prismática. Se usa en la fabricación de elementos estructurales como vigas, pilares, cimbras metálicas, etc, sometidas predominantemente a flexión o compresión y con torsión despreciable. Su uso es frecuente en la construcción de grandes edificios y sistemas estructurales de gran envergadura, así como en la fabricación de estructuras metálicas para puentes, almacenes, edificaciones, barcos, etc...
Canales U
Acero realizado en caliente mediante láminas, cuya sección tiene la forma de U. Son conocidas como perfil UPN. Sus usos incluyen la fabricación de estructuras metálicas como vigas, viguetas, carrocerías, cerchas, canales, etc. etc
Perfiles T
Al igual que en anterior su construcción es en caliente producto de la unión de láminas. Estructuras metálicas para construcción civil, torres de transmisión, carpintería metálica.
Barras redondas lisas y pulidas
Producto laminado en caliente, de sección circular y superficie lisa, de conocimiento muy frecuente en el campo de la venta de varillas. Sus usos incluyen estructuras metálicas como lo pueden ser puertas, ventanas, rejas, cercos, elementos de máquinas, ejes, pernos y tuercas por recalcado en caliente o mecanizado; pines, pasadores, etc. Pletinas
Barras cuadradas
Producto realizado en caliente por láminas, su uso es muy frecuente y muy conocido. Se usan en la fabricación de estructuras metálicas, puertas, ventanas, rejas, piezas forjadas, etc.
Barras hexagonales
De igual manera que en los anteriores su composición es de laminas producidas en caliente, de sección hexagonal, y superficie lisa. Generalmente se observa en la fabricación de elementos de ensamblaje para, pernos, tuercas, ejes, pines, chavetas, herramientas manuales como barretas, cinceles, puntas, etc. Los cuales pueden ser sometidos a revenido y a temple según sea el caso.
Perfiles generados por soldadura o unión de sus elementos
Estos son elementos ensamblados de estructuras generalmente de forma rectangular, la composición de las barras y diferentes elementos está generado por soldadura de las mismas, la ventaja que tiene este tipo de perfil es que se adecúa
perfectamente a los requerimientos de diseño de acuerdo al análisis estructural que se realiza. Las relaciones de las dimensiones en perfiles típicos H, I.
CS, tienen la forma de H y su altura es igual al ancho del ala, h=b.
CVS, tienen forma de H y la proporción entre la altura y el ancho es de 1.5:1
VS, son de sección tipo I y la proporción entre la altura y el ancho del ala es de 2:1 y 3:1 Chapa
Se lamina el acero hasta conseguir rollos de diferentes grosores de chapa. La chapa se utiliza en calderería, y en la fabricación de carrocerías de automóviles. Se pueden emplear también aleaciones especiales con silicio y obtener acero magnético; la chapa así resultante se utiliza extensivamente en la industria eléctrica, especialmente en la fabricación de transformadores y de rotores y estatores de máquinas eléctricas.
Acero corrugado para hormigón armado
Las acerías que reciclan chatarra, son en su mayoría productoras del acero corrugado que se utiliza para formar estructuras de hormigón armado y cimentaciones.
Piel de vidrio
Es un Sistema de Fachada Continua pensado para edificios de altura, compuesto por columnas que se toman a las losas y travesaños, que forman una trama sobre la cual se colocan las hojas.
Sistema compuesto por columna, travesaño y bastidor para paño fijo o ventana desplazable. Ventanas desplazables con bisagras a fricción laterales y aldaba de cierre.
Doble contacto con burletes de EPDM.
Vidrio encapsulado, con contravidrio exterior, pegado con silicona estructural o pegado con cinta VHB estructural.
Soporte de travesaño regulable encolizado en columna. Presillas regulables para montaje de hojas fijas.
Anclaje tipo "H" para columnas.
En todos los casos se debe utilizar vidrios laminados, templados o termoendurecidos.
Para especificaciones sobre los Elementos disponibles
Mirar el siguiente archivo:
Normas: astm
La ASTM International es una de las mayores
organizaciones en el mundo que desarrollan
normas voluntarias por consenso. ASTM es
una organización sin ánimo de lucro, que
brinda un foro para el desarrollo y
publicación de normas voluntarias por
consenso, aplicables a los materiales,
productos, sistemas y servicios. Los
miembros de ASTM, que representan a
productores, usuarios, consumidores, el
gobierno y el mundo académico de más de
100 países, desarrollan documentos técnicos
que son la base para la fabricación, gestión y
adquisición, y para la elaboración de códigos
y regulaciones.
Estos miembros pertenecen a uno o más comités, cada uno de los
cuales cubre un área temática, como por ejemplo acero, petróleo,
dispositivos médicos, gestión de la propiedad, productos para el
consumidor, y muchos más. Estos comités desarrollan más de las
11,000 normas ASTM que se pueden encontrar en el Annual Book
of ASTM Standards, de 77 volúmenes.
Normas: astm a36
Esta especificación trata sobre perfiles, placas, y barras de acero al carbono de calidad estructural para usar en construcción remachada, atornillada o soldada, en puentes y edificios, y para propósitos estructurales generales.
Se suministran requisitos suplementarios para su uso donde el comprador requiere ensayos
adicionales o restricciones adicionales. Tales requisitos se aplican solo cuando esté especificado en la orden de compra.
Cuando el acero vaya a ser soldado, tiene que ser utilizado un procedimiento de soldado adecuado para el grado de acero y el uso o servicio previsto. Vea Apéndice X3 de la Especificación A 6/A 6M para obtener información sobre soldabilidad.
Los valores indicados en unidades pulgada-libra o en unidades SI deben ser considerados separadamente como los estándares. Dentro del texto, las unidades SI se muestran entre corchetes. Los valores indicados en cada sistema no son exactamente equivalentes; por eso, cada sistema debe ser utilizado independientemente del otro, sin combinar valores de ningún modo.
El texto de esta norma contiene notas y notas al pie de página, o ambas, las cuales brindan material explicativo. Esas notas y notas al pie de página, excluyendo las dadas en tablas y figuras, no contienen requisitos obligatorios. Para productos estructurales producidos de rollo y suministrados sin tratamiento térmico o solamente con alivio de esfuerzos, los requisitos adicionales, incluyendo requisitos de ensayos adicionales y los informes de
Normas: ecuatorianas
En el ecuador el Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN fue el
encargado de realizar el:
REGLAMENTO TÉCNICO ECUATORIANO RTE INEN 037 “ DISEÑO
FABRICACIÓN Y MONTAJE DE ESTRUCTURAS DE ACERO”
El cual, establece los requisitos que se deben cumplir el diseño,
fabricación y montaje de los distintos tipos de estructuras
elaboradas a partir de acero. Y tiene como finalidad prevenir los
riesgos de seguridad y la vida de las personas, de los animales y
vegetales, el ambiente y la propiedad, y las prácticas engañosas
que puedan inducir a error a los usuarios.
Análisis de una obra: Edificio Loft
San Marino
La unidad de viviendas experimentales
Loft San Marino es un edificio
concebido como un híbrido
entreestructura metálica y estructura de
concreto
