criterios generales de estructuración 01
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16/10/2015
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Ing. Jorge Rosas Espinoza Ingeniero Civil - Universidad Nacional de San Agustin Arequipa – Peru
MSc. Earthquake Engineering - University at Buffalo, The State University of New York - USA
ESTRUCTURAS VI
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
- Criterios Generales de Estructuración y Diseño.
Cuantificación de Cargas.
Cargas Permanentes
Cargas Muertas
Cargas Vivas
Cargas Dinámicas
Cargas de Viento
Cargas de Sismo
Tipos de Esfuerzos y Elementos Estructurales
Esfuerzos
Tracción
Compresión
Flexión
Cortante
Flexocompresión
Torsión
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Cuantificación de las Cargas.-
Los análisis y posteriormente los diseños se basan en hallar los
diferentes esfuerzos en los elementos estructurales y que éstos tengan la
capacidad de poder resistirlos a través de su sección y tipo de material.
Por lo tanto para poder realizar un análisis estructural es necesario
conocer los elementos estructurales, su sección y el material. Sobre
estos elementos actúan una serie de fuerzas o cargas y son éstas las que
pueden hacer fallar algunos elementos estructurales y finalmente
colapsar la estructura total.
Las cargas que se deben considerar son:
Cargas Permanentes.
Cargas Dinámicas.
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Cargas permanentes.-
Las cargas permanentes son aquellas que están relacionadas con el peso,
también se conocen como cargas de gravedad.
Existen dos tipos de cargas permanentes, que dependen del material y
del uso de la edificación. Las cargas permanentes son: Cargas Muertas
y Cargas Vivas.
Cargas muertas.-
Se deben a los pesos de los elementos estructurales y los elementos no
estructurales. Están relacionadas directamente al tipo de material (Peso
específico) y su sección. Todos los materiales tienen un peso específico
(Peso/Volumen) y conociendo su geometría podemos encontrar el peso
total de cada elemento.
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
Este peso generalmente es invariable durante la vida útil del
elemento, puede tener variación solamente en el proceso
constructivo, debido a una mayor o menor sección, siendo esta
variación mínima. En algunos casos, como son los elementos no
estructurales, puede existir una variación si estos elementos son
eliminados o remplazados por otro material.
Por lo tanto no es recomendable modificar los elementos no
estructurales salvo que esta modificación sea con materiales de
menor peso específico.
Los principales materiales usados en las edificaciones y sus
respectivos pesos son:
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CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
Cargas Vivas.-
Las cargas vivas, llamadas también sobrecargas, están relacionadas
con el uso de las edificaciones, por lo tanto tiene que ver con la
cantidad de personas, muebles, equipos, maquinarias, vehículos y
otros.
Existe actualmente en el Reglamento Nacional de Edificaciones la
Norma Técnica E-020 que trata sobre las diferentes cargas que se
deben aplicar a las estructuras de acuerdo al uso de la edificación.
Las principales cargas vivas son:
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CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
Cargas Dinámicas.-
Las cargas dinámicas se refieren a aquellas que no son permanentes,
son esporádicas y se presentan debido a la presencia de una
aceleración, esto es una variación de velocidades.
Las principales cargas dinámicas son de viento y sismo. Son las que
más daño ocasionan a las edificaciones por cuanto su comportamiento
sobre cada edificación es diferente, pueden tener variaciones de
velocidades muy amplias que finalmente generan aceleraciones que
conjuntamente con el peso de los edificios producen fuerzas que
pueden hacer colapsar cualquier estructura.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Creemos que estas fuerzas son las de mayor importancia, en los últimos
años se ha demostrado que debido a fuerzas de sismo muchas
edificaciones han tenido problemas estructurales. La costumbre ha
llevado a realizar análisis estructurales solamente de cargas permanentes
y se ha dejado de lado las cargas dinámicas. Entendemos que estos casos
se presentaban por cuanto los métodos de análisis estructurales
solamente contemplaban las estructuras planas en dos dimensiones.
Felizmente en los últimos años se ha tenido un gran avance en la
aplicación de nuevas teorías como son de rigidez, flexibilidad y
elementos finitos que nos están dando la posibilidad de analizar una
estructura en tres dimensiones.
Adicionalmente se tiene que reconocer que los avances tecnológicos han
permitido tener mejores equipos que nos permiten obtener datos sobre
aceleraciones de los sismos.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Cargas de Viento.-
En la Norma E-20 Cargas, considera la presión que ejerce el viento
sobre las edificaciones. La presión depende de la velocidad del viento
por lo tanto tiene que ver con la ubicación de la edificación. Si nos
referimos a nuestra ciudad la velocidad del viento no es de importancia,
por lo que nuestras edificaciones no son diseñadas para dicha acción.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Cargas de Viento.-
La velocidad de diseño del viento hasta 10 m de altura será la
velocidad máxima según la zona donde se encuentra ubicada la
edificación. Para obtener la velocidad máxima la Norma E-020
proporciona el mapa eólico del Perú. Se tiene que tener en cuenta
que la velocidad mínima a usar es de 75 Km/h.
La velocidad de diseño del viento en cada altura de la edificación se
obtiene de la siguiente expresión:
Generalmente las edificaciones de estructuras metálicas son
analizadas y diseñadas considerando las fuerzas de viento,
principalmente por la forma y altura que tienen.
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
Cargas de Sismo.-
El Perú se encuentra en la zona de mayor concentración de sismos,
ellos han producido grandes pérdidas de vidas y económicas. Se han
presentado en todo el litoral y en algunas zonas del nororiente.
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CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración El origen de los sismos ha sido asignado a causas diferentes a lo largo
de la historia. Recién a principios del siglo pasado los sismos
comienzan a vincularse con fallas geológicas. No vamos a tratar
sobre la teoría de los sismos, solamente haremos referencia al
movimiento de las placas tectónicas que producen finalmente fallas
en la corteza terrestre.
En el caso del Perú se presenta dos placas: Placa Continental y Placa
de Nazca, esta última por subducción penetra bajo la placa
Continental, por este movimiento se han producido grandes
terremotos en nuestro País.
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
Tipos de Esfuerzos y Elementos Estructurales.-
Para poder determinar el tipo de elemento estructural que se debe
utilizar en una edificación es necesario recordar los diferentes
esfuerzos que se presentan en ellos ante la presencia de cargas
permanentes y dinámicas.
Esfuerzos.-
Los principales esfuerzos son:
- Tracción
- Compresión
- Flexión
- Corte
- Flexo compresión
- Torsión
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Tracción
Se presenta por la acción de una fuerza axial
directa sobre el área del elemento. Produce un
estiramiento ocasionando disminución del área
original hasta llegar al colapso del elemento
estructural. Por lo tanto es necesario que al
presentarse este esfuerzo el material del elemento
estructural debe tener la característica principal de
poder resistir el estiramiento sin llegar al colapso
de una manera inmediata.
No todos los materiales tiene esta característica,
algunos fallan rápidamente ante la acción de la
fuerza axial de tracción, se les denomina
materiales frágiles, otros tiene una mayor
resistencia a la tracción y pueden deformarse más,
se les denomina materiales dúctiles.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Compresión
Se presenta por la acción de una fuerza de compresión
sobre el área del elemento estructural, esta fuerza debe
de presentarse de una manera uniforme sobre toda el
área, por cuanto si se aplica una mayor fuerza en una
zona del área, la compresión no es uniforme sino será
flexo compresión, siendo otro tipo de esfuerzo.
Uno de los problemas que existen es justamente que
las cargas no son uniformes y que los elementos
estructurales tienen características propias de
geometría. Si el elemento es de mucha longitud y poca
sección se presentará ante la acción de la carga axial un
problema llamado pandeo. El pandeo es la presencia de
un doblez del elemento por la acción de la fuerza de
compresión, al presentarse curvatura se está generando
una flexión y por lo tanto se tratará del esfuerzo de
flexo compresión.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Flexión
Sobre algunos elementos estructurales se
aplican cargas que producen deformaciones de
curvatura, que finalmente hacen que se
presenten esfuerzos de tracción y compresión
por flexión. Estamos tratando sobre un
esfuerzo que tiene parte de lo explicado
anteriormente. Por lo tanto los materiales a
usar deben tener la característica de poder
resistir tracción y compresión
simultáneamente.
Las propiedades de resistencia de los
materiales se caracterizan por tener capacidad
adecuada solamente para uno de los esfuerzos,
debido a esto es que se tiene que usar
elementos con materiales combinados.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Cortante
Debido a la presencia de flexión en algunos
elementos estructurales, se presenta el esfuerzo
de cortante, es un esfuerzo de cizallamiento o
un esfuerzo tangencial. Al doblarse un
elemento se trata de separar cada capa, el
rozamiento entre cada una de ellas se
denomina esfuerzo tangencial o esfuerzo
cortante.
Conjuntamente con el esfuerzo por flexión
generan finalmente un esfuerzo de tracción
diagonal que es el principal problema que
tiene todos los elementos estructurales. Este
esfuerzo de tracción diagonal ha ocasionada la
mayor cantidad de colapsos en las estructuras
ante la acción de fuerzas sísmicas.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Flexocompresión
Sobre algunos elementos estructurales se
presentan fuerzas y momentos de flexión
simultáneamente, ocasionando el esfuerzo de
flexo compresión.
Para este caso lo más recomendable es usar
elementos con materiales que puedan resistir la
compresión y además que no fallen por la
flexión. Tal como ya se indicó anteriormente el
concreto armado es el material adecuado para
resistir ambos esfuerzos.
Es necesario tener presente que por la
geometría de los elementos pueden, también,
tener problemas de pandeo ante la acción de
compresión.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Torsión
Este tipo de esfuerzo generalmente se presenta en vigas, es similar al
esfuerzo cortante por cuanto su tipo de falla es diagonal.
Elementos Estructurales.-
Las cargas permanentes y dinámicas deben ser resistidas por elementos
que son parte fundamental de la estructura de las edificaciones.
Los principales elementos estructurales de las edificaciones son:
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CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
- Losas.
- Vigas.
- Columnas.
- Muros de corte.
- Cimentaciones.
Se explicará brevemente cada una de ellas, por cuanto es necesario
conocer el tipo de comportamiento que tienen.
1.- Losas.-
Las losas son los elementos que sirven de techos o pisos. Por su
comportamiento estructural son de dos tipos: Losas unidireccionales
y bidireccionales.
CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración
Las cargas que se presentan sobre las losas son el peso propio, piso
terminado y la sobrecarga de acuerdo al uso de la edificación. Las losas
pueden tener desde un apoyo hasta cuatro apoyos en su contorno.
El principal esfuerzo es de flexión y corte, por lo tanto tienen tracción
por flexión, compresión por flexión y tracción diagonal.
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CAPITULO I: Criterios Generales de
Estructuración La tracción por flexión es resistida por el acero principal o longitudinal.
Para el caso de la tracción diagonal la Norma Técnica E-060, así como
los Reglamentos a nivel mundial recomiendan que el concreto tenga la
suficiente resistencia para poder resistir dicho esfuerzo, de esa manera
se evita la colocación del acero transversal o estribos.
Adicionalmente a los esfuerzos indicados, un problema que se presenta
en las losas son las deformaciones debido a la curvatura por flexión.
Siendo el espesor de las losas pequeño las deformaciones por curvatura
son altas.
Sin embargo explicaremos que las losas unidireccionales se usan para
cubrir áreas pequeñas y las losas bidireccionales para áreas de mayor
magnitud y mayor importancia.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Para definir si las losas son unidireccionales o bidireccionales dependen
de los apoyos existentes en su contorno. Una losa de uno o dos apoyos
es unidireccional, si tiene tres o cuatro apoyos es una losa bidireccional.
Losas
Unidireccionales
Losas
Bidireccionales
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración Mostramos ejemplos de ambos tipos de losa.
Losas unidireccionales:
Losa bidireccional:
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
En una losa unidireccional la curvatura o flexión se presenta en una
sola dirección, por lo tanto solamente en esa dirección tenemos los
esfuerzos indicados, sin embargo en las losas bidireccionales la
curvatura o flexión se presentan en dos direcciones ortogonales, siendo
los esfuerzos en esas direcciones. Los diseños para cada esfuerzo serán
de acuerdo a las direcciones de las curvaturas.
Se ha indicado que para este elemento estructural el mayor problema
son las deformaciones, por lo tanto para definir su peralte se debe de
tener en cuenta una deformación permisible.
Para su predimensionamiento se tiene en cuenta la longitud de la losa,
por cuanto los criterios que se usan tienen en cuenta las máximas
deformaciones. La Norma E-060 nos proporciona el siguiente criterio:
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
- Losas aligeradas continuas conformadas por viguetas de 10 cm de
ancho, bloques de ladrillo de 30 cm de ancho y losas igual o superior de
5 cm, con sobrecargas menores a 300 Kg/m2 y luces menores de 7,50 m:
- Losas aligeradas continuas conformadas por viguetas de 10 cm de
ancho, bloques de ladrillo de 30 cm de ancho y losas superior de 5 cm,
con sobrecargas menores a 300 Kg/m2 y luces menores de 7,50 m:
El predimensionamiento aproximado para losas bidireccionales es:
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
En general se pueden considerar los siguientes parámetros para definir
los peraltes de losas aligeradas unidireccionales:
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
De acuerdo a su geometría las losas pueden ser:
- Losas macizas
- Losas nervadas
Losas macizas: son aquellas cuya sección es totalmente de concreto. Su
uso no es muy frecuente por su costo, generalmente se emplean para
edificaciones industriales.
Losas
Macizas
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Losas nervadas: Su sección es de espesores diferentes, si se tiene la losa
solamente con nervaduras su costo es elevado.
El vacío entre vigueta y vigueta puede ser rellenado con un material
liviano, usamos ladrillo hueco. Este tipo de losa es el más usado por
cuanto su costo y peso es menor que las losas macizas.
En la actualidad los tipos de losas están variando debido a la
industrialización que se viene dando en la construcción.
Como ejemplo se tiene las losas con material de tecknopor entre
viguetas, reemplazando a los ladrillos de techo, las viguetas son de
concreto pretensado:
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Losas Aligeradas
con Tecknopor
Losas Aligeradas con
Viguetas Pretensadas y
Tecknopor
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Otro ejemplo son las llamadas “Placas colaborantes”, que consisten en
una plancha galvanizada plegada sobre la cual se coloca concreto con un
peralte mínimo. La plancha reemplaza al acero de construcción usado
como principal por flexión:
Losas Colaborantes
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
2.- Vigas.-
Son elementos estructurales que resisten su peso propio, peso de las
losas, peso de muros, sismo y sobrecargas de acuerdo al uso de la
edificación.
Los esfuerzos que se presentan son de tracción por flexión, compresión
por flexión y tracción diagonal. De manera similar a las losas, también se
presentan deformaciones pero en este caso no tienen la misma
importancia, salvo que sean vigas cuyo peralte sea igual al de la losa.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
En lo referente a los apoyos pueden ser columnas, constituyendo los
llamados pórticos, muros y/o vigas. Para el primer caso la sección de las
vigas es de mucha importancia por cuanto los pórticos son elementos que
resisten las fuerzas sísmicas y de acuerdo a su rigidez harán que la
edificación tenga una mayor o menor deformación lateral.
En lo referente a su geometría se tiene vigas peraltadas y vigas “chatas”.
Las vigas peraltadas son aquellas cuyo altura o peralte es mayor que la
altura de la losa. El peralte de las vigas “chatas” es igual al peralte de la
losa.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
El predimensionamiento de la viga está en función de la resistencia y no
depende de la deformación.
Considerando una cuantía de acero del 50% de la cuantía balanceada y
teniendo en cuenta que las vigas forman pórticos con las columnas y
serán resistentes ante la acción de un sismo se recomienda que el peralte
de la viga sea:
En cuanto al espesor o ancho de la viga, la Norma Técnica E-060
determina que debe ser como mínimo 25 cm, recomendamos que en
edificaciones mayores a cuatro pisos se debe usar un mínimo de 30 cm
para tener una adecuada colocación del acero principal de la viga.
En líneas generales se puede considerar los siguientes parámetros para las
dimensiones de vigas:
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
3.- Columnas.-
Son elementos estructurales que reciben el peso propio, peso de vigas,
peso de losa, peso de muros, sismo y sobrecargas. Son los elementos más
importantes para la resistencia de una edificación, la falla de una
columna puede determinar el colapso total de una edificación.
Los esfuerzos que se presentan en las columnas son de flexo compresión,
flexo tracción, tracción diagonal y pandeo o esbeltez.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración Lo importante es que las columnas no tienen un comportamiento en
una sola dirección, por cuanto la fuerza sísmica se considerará que
actúa en dos direcciones perpendiculares, por lo tanto el análisis y
diseño debe de efectuarse para ambas direcciones y el diseño final será
para el caso más crítico.
La forma geométrica de las columnas es variada, pueden ser
cuadradas, rectangulares, circulares o de cualquier otra forma
geométrica determinada por la arquitectura.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
De acuerdo a la Norma Técnica E-060 la menor dimensión debe ser 25
cm. Recomendamos para edificaciones mayores a tres niveles usar
como mínimo 30 cm.
Las dimensiones de las columnas no solamente van a dar resistencia a la
edificación, sino principalmente permitirán una mayor o menor
deformación lateral del edificio.
El efecto de esbeltez tiene que ser siempre considerado, principalmente
para el caso de columnas de doble altura o de secciones menores.
Para su predimensionamiento existen muchos criterios, se recomienda
los siguientes criterios que tienen en cuenta la esbeltez y la resistencia
por compresión del concreto:
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
4.- Muros de Corte.-
Son elementos estructurales similares a las columnas, por lo tanto
resisten su peso propio, peso de vigas, peso de losas, peso de muros,
sismo y sobrecargas.
Los esfuerzos que resisten son: flexo compresión, flexo tracción,
tracción diagonal, en direcciones paralelas a su plano así como
perpendiculares al mismo.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Su mayor importancia es la rigidez que le ofrece a los edificios, pero su
mayor problema es su fragilidad, por lo tanto análisis y diseño deben
ser realizados considerando todas las posibilidades de falla,
principalmente ante la acción de sismo.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
La forma geométrica de los muros de corte puede ser variable:
En lo referente a su predimensionamiento, se considera el espesor
mínimo que trata la Norma E-060:
En la actualidad se está usando muros de corte en concreto armado con
espesores de 10 cm para edificaciones de viviendas.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
5.- Cimentaciones.-
Todos los pesos, momentos de flexión y fuerzas horizontales se
transmiten a la base de la edificación apoyándose en el suelo. Para este
caso es necesario que se realice un Estudio de Suelos, mediante el cual
se tiene que indicar cual es la resistencia del suelo (Capacidad Portante)
y la profundidad de desplante (Df) donde se debe cimentar.
Según la profundidad de la cimentación se considera cimentaciones
superficiales y cimentaciones profundas, en ésta última se usan pilotes.
Para ambos casos los tipos de cimentación que se presentan son:
- Zapatas aisladas.
- Zapatas conectadas.
- Zapatas combinadas.
- Cimientos corridos.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Zapatas Aisladas.- Son aquellos que soportan una sola columna.
Zapatas Combinadas.- Son aquellas que soportan dos o más columnas.
Similar a una zapata aislada.
Zapatas Conectadas.- Son zapatas que por estar en el límite de
propiedad es necesario que tengan una viga que conecte a un dado o
zapata para contrarrestar el momento de volteo que se presenta por la
excentricidad.
CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
Cimientos Corridos.- Son cimentaciones que soportan muros de
albañilería o de concreto armado.
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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración
En todos estos tipos de cimentación los esfuerzos que se presentan son:
tracción por flexión, compresión por flexión, tracción diagonal,
aplastamiento y corte por punzonamiento.
En lo referente al predimensionamiento no es necesario efectuarlo para
una estructuración y posterior análisis, basta con asumir un tipo de
zapata según el Estudio de Suelos que se tiene que efectuar con
anterioridad.