Diseño Estructural I

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DISEÑO ESTRUCTURAL I

Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses Campos

1

UNIVERSIDAD DEL GOLFO DE MEXICO

LICENCIATURA EN ARQUITECTURA

OTOÑO 2010.

PRIMER SEMESTRE

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2

OBJETIVOS GENERALES:



Analizar el comportamiento de los distintos elementos de

construcción.



Aprender a manejar los recursos y procedimientos para su

análisis.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE



Ejercicios de cálculo y análisis apegados a la realidad práctica.



Exposición y discusión dirigida.

MODALIDAD DE EVALUACION DE LA ASIGNATURA



Exámenes exploratorios (3)

30%



A.C (trabajos, tareas, modelos)

60%



Participación

10%

(3)

BIBLIOGRAFÍA

3



FERDINAN, Beer; “Mecánica vectorial para ingenieros” (estática); Mc

Graw Hill; 2002.



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

México, 2000.



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



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

México, 2001.



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

México, 2000.

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TEMARIO

Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses Campos 4

• FORMAS DE CONSTRUCCION

– Construcción maciza

– Construcción de entramado.

– Construcción laminar.

– Construcción mixta.

• ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS.

– Elementos constructivos sujetos a cargas verticales (cimentación de

piedra).

– Elementos constructivos sujetos a cargas verticales combinados con

fuerzas o empujes horizontales (muros de contención).

– Elementos de transición entre la construcción maciza y de

entramado (arcos dovelados)

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5

• ESTRUCTURAS

– Estructuras de masa activa.

• Transmisión de cargas.

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

• Estructuras de vector activo.

• Armaduras en el plano.

• Armaduras en el espacio.

• Estructuras de forma activa. Cable parabólico.

– Estructuras de vector activo.

• SUPERFICIES PLEGABLES.

– Prismas.

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6

• CENTROIDES.

– Secciones geométricas básicas y polígonos regulares.

– Secciones compuestas.

• CARGAS

– Apoyos.

– Acciones y reacciones.

– Esfuerzos.

– Deformaciones.

– Flexión.

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CONSTRUCCIÓN MACIZA

7

Las construcciones macizas son aquellas que están formadas generalmente

por elementos pesados. Por ejemplo:



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



Perfiles laminados de acero como vigas y placas.



Elementos de madera como vigas y polines



A simple vista nos podemos dar cuenta que son construcciones pesadas y

masivas.



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

construcción.

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8

Por ejemplo:



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



Estructuras de naves industriales con vigas y placas de acero.



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

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9

Ejemplos de casas y edificios construidas con ladrillo y

concreto armado.

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10

Ejemplos de casas construidas con ladrillo y concreto

armado.

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11

Ejemplos de naves industriales construidas con vigas y

placas de acero.

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12

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13

1.2 Construcción de entramado.



Son construcciones que están formadas por redes

o tramas tipo celosía.



Son estructuras portantes capaces de mantener el

equilibrio de las fuerzas que se generan en ellas.



Las reconocemos fácilmente por que tienen

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14

Ejemplo de un entramado de concreto reforzado.

(Losa de vigueta y bovedilla).

(15)

15

Ejemplo de un entramado de perfiles de acero.

(Estructura de una vivienda).

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16

Ejemplos de un entramados con perfiles de acero.

(Estructuras de edificios).

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Ejemplo de un entramado de madera.

(Estructura de una vivienda).

(18)

18

1.3 Construcción laminar.

• Las construcciones laminares se caracterizan por

ser muy esbeltas; lo cual les confiere un aspecto de

“lámina”; este tipo de construcciones pueden

realizarse con concreto armado, ladrillo, metal,

madera, cristal y plásticos.

• A este tipo de estructuras se les conoce también

con el término de “cascarones”.

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25

Ejemplo de estructura laminar de plásticos y

policarbonatos.

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Ejemplo de estructura laminar llamada

Velaria o tensoestructura.

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Ejemplo de estructura laminar llamada

Velaria o tensoestructura.

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Ejemplo de estructura laminare llamada

Velaria o tensoestructura.

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36

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37

2. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS SUJETOS A CARGAS.

2.1 Elementos constructivos sujetos a cargas verticales

(cimentación de piedra).

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CIMENTACIÓN

38

Cimentación.-

es la parte intermedia entre la superestructura

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

de transmitir cargas al suelo.

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

cual la cimentación debe ser calculada y diseñada.

(39)

39

TIPOS DE CIMENTACIÓN.

1) Superficiales

2) Profundas

Cimentaciones superficiales o someras.

Son las mas comúnes, son las que usamos en viviendas,

pequeños edificios, construcciones ligeras, etc.

Y cuando el terreno es duro a medianamente duro.

Cimentaciones profundas.

Son aquellas que se utilizan para grandes edificaciones,

construcciones pesadas o cuando el terreno es blando.

(40)

40

(41)

41

(42)

42

Cimentaciones profundas.

Pilote mediante rotación en seco.

1. Perforación mediante barrena

2. Colocación de la armadura

3. Hormigonado mediante tubo Tremie

4. Pilote terminado.

(43)

Ver videos

(44)

44

REQUISITOS GENERALES PARA UNA CIMENTACIÓN

a) Toda cimentación deberá desplantarse a una profundidad

adecuada, es decir, sobre terreno firme.

b) El sistema de cimentación deberá ser seguro contra el

momento de volteo, rotación, deslizamiento o ruptura del

suelo (falla al esfuerzo cortante).

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

deterioro de la cimentación contra agentes nocivos.

d) Los asentamientos diferenciales deben ser tolerables por el

sistema de la cimentación.

(45)

45

PROFUNDIDAD DE DESPLANTE

Las cimentaciones superficiales deberán desplantarse debajo de

la capa vegetal del suelo, a una profundidad tal, que no

corra peligro de quedar destapada o socavada por la acción

del viento o del agua (pluvial o subterránea).

Si el nivel de desplante se localiza en suelo arcilloso, deberá

tenerse mucho cuidado con los asentamientos, sobre todo si

se trata de zapatas aisladas, una alternativa de solución

sería mejorar el suelo mediante una sustitución de material.

En caso de encontrarse arcillas expansivas lo conveniente será

(46)

46

SOLUCIONES A TERRENOS INCLINADOS

Cuando en un terreno se presentan desniveles importantes,

podrá optarse por escalonar la cimentación de acuerdo con

la red estructural o bien, podrá rellenarse perfectamente

para apoyar de manera adecuada la cimentación.

En ningún caso deberá desplantarse una cimentación sobre una

superficie inclinada, debido al posible deslizamiento

provocado por la fuerza tangencial a la superficie de apoyo.

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47

(48)

relleno

cimiento

Muro de

contención

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(50)

50

MAQUINARIA PARA RELLENOS

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51

ESTRATOS DE SUELO

(52)

52

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

es necesario explorar el terreno natural por medio de

sondeos con máquina o bien por medio de pozos a cielo

abierto.

Los pozos a cielo abierto , consisten simplemente en excavar un

pozo en el terreno natural, de las dimensiones mínimas que

permitan a un peón excavar con pico y pala

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

puede observar los distintos tipos de suelos en sus

condiciones naturales, lo que constituye una gran ventaja.

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

(53)

53

La profundidad mínima de exploración en la excavación del pozo

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

de la cimentación.

Excavación ≥ 1.5-2.0 veces b

A esta profundidad los esfuerzos que transmite el cimiento al

suelo son aún significativos.

(54)

Tipos de suelos

• Gravas

• Arenas

• Limos

• Arcillas

(55)

(56)

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

(57)

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

(58)

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Diseño Estructural I Profesor José Victor Meneses Campos 59 EXCAVACION = 1.5 b 105 CM

EXCAVACIÓN EN OBRA PARA VERIFICAR EL TIPO DE TERRENO CIMIENTOS DE

MAMPOSTERIA DIBUJADO EN PLANO

PROFUNIDAD DE POZO DE EXPLORACIÓN

=

b = 60 cm 30 cm

80 cm

(60)

60

ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN

Cuando se construye una estructura es casi inevitable que se

produzca algún asentamiento, por lo que deberán tenerse

en cuenta los materiales que constituyen el suelo, al

momento de diseñar la cimentación.

1)

Los materiales granulares como gravas, arenas gruesas y

medias

, alcanzan generalmente su máximo asentamiento al

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

poco a poco.

(61)

61

ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.

2)

Los materiales como el limo y la arena fina

pueden alcanzar

una gran parte de su consolidación al aplicar la carga.

Aumentando el asentamiento a lo largo del tiempo, debido a

que el contenido de agua disminuye con la carga impuesta.

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

saturación con agua, puede haber movimientos de gran

importancia, con peligro para la estructura.

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

la arena esta muy suelta, con lo cual puede haber

asentamientos diferenciales peligrosos.

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62

ASENTAMIENTOS EN LA CIMENTACIÓN.

3)

Las arcillas

alcanzan parte de su consolidación en el momento

de aplicar la carga, pero como son plásticas, generalmente

continúa esta consolidación a lo largo del tiempo en forma

lenta.

Una cimentación apoyada sobre una arcilla superficial se puede

ir asentando a medida que esta se seca en época de

estiaje, pero en época de lluvias la arcilla absorbe agua y se

expande, haciendo subir a la estructura. Provocando daños

a la edificación, durante la contracción-expansión del suelo.

Este tipo de suelo es conocido como

“arcillas expansivas”

.

(63)

63

SOLUCIONES PARA EVITAR ASENTAMIENTOS

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

cimentación se desplante a una profundidad en la que los

efectos de expansiones-contracciones se eliminen.

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

arcillas, (dependiendo de su grado de expansividad) cuando

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

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

media o gruesa, bien compactada.

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

filtraciones de agua que lleguen a la arcilla.

(64)

64

(65)

CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA

65

Son cimientos de tipo superficial.

Cuando se cálcula y diseña una cimentación, los resultados

obtenidos deben vaciarse en planos.

Estos planos que se llaman “estructurales de cimentación”

llevarán notas que indiquen los materiales y el proceso

constructivo que se realizara y que permita garantizar su

correcta ejecución.

Algunas de las notas más importantes son:

1) Niveles de desplante respecto al banco de nivel.

2) Cotas perfectamente detalladas.

3) En el plano se debe indicar la capacidad de carga del

terreno con la cual se diseño la cimentación.

(66)

66

Las dimensiones y secciones de los cimientos se indicarán en los

planos estructurales correspondientes.

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

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

demasiado grandes, rellenando las oquedades de las

uniones con piedras de menor tamaño.

(67)

67

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

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

muro).

Esta corona deberá rematarse con piedras de gran tamaño para

evitar juntas en el asiento de la cadena.

Deberán preverse los anclajes de los castillos de acuerdo a lo

indicado en los planos del proyecto.

Se dejarán previstos los pasos de ductos de instalaciones

sanitarias, hidráulicas y eléctricas.

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68

DETALLE DEL ANCLAJE DEL CIMIENTO

(69)

69

DETALLE DEL PASO DE INSTALACIONES

(70)

ESPECIFICACIONES DE MATERIALES

70



LECHADA:

cemento ó cal + agua.



MORTERO:

cemento y/o cal + arena + agua.



CONCRETO:

cemento + arena + grava + agua.

Al mortero se le conoce comúnmente como “mezcla”.

Al concreto se le conoce comúnmente como “revoltura”.

Al concreto en algunos libros extranjeros se le nombra como

“hormigón”.

(71)

71

TABLA DE PROPORCIONAMIENTO DE MORTERO ESTRUCTURAL

TIPO DE MORTER O PARTES DE CEMENTO HIDRAÚLIC O KG/CM2 PARTES DE CAL HIDRATADA

PARTES DE ARENA RESISTENCIA A COMPRESIÓN I 1 0 A 1/4 _{NO MENOS DE 2.25 NI MAS} DE 3 VECES LA SUMA DE CEMENTANTES EN VOLUMEN 125 II 1 1/4 A 1/2 75 III 1 1/2 A 1 1/4 40

I

1

0

3

125

1

0.25

3.75

125 II

1

0.25

3.75

75

1

0.5

4.5

75 III

1

0.5

4.5

40

1

1.25

6.75

40

RESISTENCIA A COMPRESIÓN TIPO DE MORTERO BULTOS DE

CEMENTO BULTOS DE CAL BOTES DE ARENA

(72)

(73)

CARGAS MUERTAS

Capítulo VI del Reglamento de construcción del Municipio de

Puebla.

ARTICULO 345.- VALORES NOMINALES: Para la

evaluación de las cargas muertas se emplearán los

pesos unitarios especificados en la tabla siguiente: (ver

tablas de pesos volumétricos). Los valores mínimos

señalados se emplearán de acuerdo con el Artículo 333

cuando sea mas desfavorable para la estabilidad de la

estructura considerar una carga muerta menor, como en

el caso de flotación, lastre y succión producida por el

viento. En los otros casos se emplearán los valores

máximos.

(74)

(75)

75

II.- SUELOS:

Arena de grano

seca

1.75

1.40 tamaño uniforme

saturada

2.10

1.85 Arena bien graduada seca

1.90

1.55 saturada

2.30

1.95

(76)

(77)

(78)

(79)

79

(80)

EJEMPLO 1

(81)

81

En la losa

no

se multiplica

por 0.20

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(83)

DISEÑO DE CIMIENTOS DE MAMPOSTERIA

83

CONFORME A LAS NTC-DF

RESISTENCIA DE LA PIEDRA A COMPRESIÓN EN

DIRECCIÓN NORMAL A LOS PLANOS DE FORMACIÓN

= 150 KG/CM2

(84)

84

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

posible, el empleo de piedras de formas redondeadas y de

cantos rodados.

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

estará constituido por piedras con un peso mínimo de 300 N

(30 kg), cada una.

(85)

85

ESFUERZOS RESISTENTES DE DISEÑO

MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO > 50 KG/CM2

f*m = 20 kg/cm2 (compresión)

v* = 0.6 kg/cm2 (cortante)

MAMPOSTERIA UNIDA CON MORTERO < 50 KG/CM2

f*m = 15 kg/cm2 (compresión)

(86)

CÁLCULO DE CIMIENTOS DE

MAMPOSTERÍA

(87)

(88)

(89)

2.2 MUROS DE CONTENCIÓN.

89

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

que impida que un material de relleno invada una zona

determinada. Existen casos en que la única función del

muro es la de contener el empuje del terreno.

Los muros de contención son muy empleados en proyectos de

casas habitación cuando hay necesidad de cimentar sobre

un terreno inclinado.

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

desplantar a nivel la cimentación. El cimiento entonces es

sujeto a una combinación de cargas horizontales y

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

de contención.

(90)

(91)

91

CÁLCULO DEL EMPUJE DEL TERRENO.

Se han desarrollado diversas teorías que establecen el valor del

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

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

Rankine y Terzaghi.

Las NTC recomiendan el empleo del método semi empírico de

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

m, siempre que se satisfagan requisitos de drenaje, para

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

tubos perforados.

(92)

92

Teoría de Coulomb

Cuando en forma libre se aglomeran materiales de cualquier tipo,

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

impedimento al desplazamiento horizontal, el material en

cuestión toma un ángulo de inclinación hasta alcanzar un

estado de equilibrio.

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

dicho talud se le llama ángulo de talud natural .

(93)

93

SOLICITACIONES EN MUROS DE CONTENCIÓN.

Los muros de contención se deben verificar para que resistan las

cuatro siguientes solicitaciones:

Volteo, Deslizamiento, Hundimiento en el terreno y Cortante

directo en la mampostería .

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94

DRENAJE EN LOS MUROS DE CONTENCIÓN

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

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

peligro de sufrir un daño estructural severo.

El drenaje sirve para liberar exceso de humedad contenida entre el

muro de contención y el terreno que contiene.

Las soluciones más comunes son los drenajes perforados que vierten

el agua hacia algún sistema de desagüe.

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

usar en construcciones habitables.

(95)

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EJEMPLOS

(97)

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EJEMPLO 1

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(100)

(101)

101

REVISION POR DESLIZAMIENTO

Se debe cumplir 1.04 ? 1.50 (coeficiente de friccion x Mvd) / Eu NECESITA ESPOLON CALCULARLO Y PONERLO

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

Calculo del espolon

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

Vue = 6,028.88

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

REVISION POR CORTANTE se debe cumplir Vr ? VU 30,000.00 ? 2,100.00 CUMPLE h x 100 x 100 x .6 1.4 x P externa corona = 0.75 m base B = 2.70 m

altura h = 5.00 altura sobre el nivel del terreno h enterrada = 1.00 20% de h

h total = 6.00 altura enterrada + altura sobre el terreno

espolon = 100.48 m

m3 de mamposteria = 10.35 por metro lineal

(102)

102

ARCOS

Son elementos formados por elementos pétreos

dispuestos en tal forma que permiten soportar

cargas sobre ellos y trasmitirlas a los apoyos.

(103)

103

(104)

104

ARCOS

“Teorema del tercio medio”.

Cuando a una superficie se le aplican fuerzas, la

presión total es un sistema de vectores paralelos

de diferente intensidad.

Este sistema tiene una

resultante cuya dirección, sentido y punto de

aplicación pueden determinarse .

(105)

105

Recomendaciones para predimensionar el peralte de un arco

Luces

Medio punto

Rebajado

Apuntado

De 0.0 a 2.0 m

1 asta

1.5 astas

0.5 astas

De 2.0 a 3.5 m

1.5 astas

2 astas

1 asta

De 3.0 a 6.0 m

2 astas

2.5 astas

1.5 astas

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(109)

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(110)

110

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111

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114

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