Resumen tipología y lógica estructural

Tipología Estructural

Ciencia que estudia tipos estructurales en relación con los diferentes materiales a

emplearse

Tipo Estructural

Son soluciones para resolver los diferentes problemas estructurales dentro de un

sistema de trabajo estructural (vigas, columnas, losas)

Sistema Estructural

Diversas maneras de conducir las cargas actuantes obre un cuerpo portante

hacia el suelo, su destino final

Tipos de Cargas que Afecta las Estructuras

Peso propio de la Estructura

Peso de los Elementos estructurales (tabiques, muebles, instalaciones)

Las fuerzas de Viento

Las fuerzas de Sismo

Empujes de Agua que afectan las Estructuras

Cargas por Deformaciones causadas por temperaturas o asentamientos

CARGAS POR CALIDAD

Vivas

Son las cargas no fijas que pueden cambiar de lugar o posición y también de

magnitud respecto a la estructura

Muertas

Son las cargas fijas que no cambian de lugar y de posición o de magnitud

actuando permanentemente sobre la estructura

EFECTOS BASICOS O ESFUERZOS

Tracción o Tensión

Partículas del material se separan fuerzas iguales, colineales divergentes

Compresión

Partículas del material tienden a juntarse o a apretarse entre sí fuerzas iguales

convergentes

Corte

Fuerza que actúa tangencialmente a una área dada y que provoca que las

partículas se deslicen paralelas pero tangencialmente

Torsión

Efecto Producido por fuerzas iguales, opuestas y no colineales que tienden a

tomar un elemento alrededor de su eje central.

Flexión

Con formato: Fuente: 20 pto, Negrita

Con formato: Sin espaciado

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Con formato: Sin espaciado, Con viñetas + Nivel: 1 +

Alineación: 0.63 cm + Sangría: 1.27 cm

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Efecto que se produce cuando existe tensión compresión corte y momento en

distintas secciones de un mismo elemento estructural

Momento

Efecto que produce una carga aplicada a una determinada distancia o brazo de

palanca tiende a provocar la rotación alrededor en un punto

CARGAS POR SU MODO DE APLICACIÓN

Cargas Concentradas

Están aplicadas en un punto específico o en un área muy pequeña

Cargas Distribuidas

Son cargas aplicadas a un área o longitud en forma repetida

Cargas Estáticas

Carga que se aplica de manera gradual

Carga Dinámica

Se aplican de manera de impacto

El efecto de Flexión

Es un efecto en que se da la tensión y compresión simple simultáneamente,

además de esfuerzos cortantes verticales y horizontales, esfuerzos normales y

efectos resultantes en todas las secciones del elemento flexionante.

Vigas

Son elementos cuya función es soportar cargas perpendiculares a su eje

longitudinal generándose esfuerzos de flexión y de cortante

Losas

Además como su forma principal como elementos a cargas verticales, las losas

de piso actúan como diafragmas horizontales que distribuyen las fuerzas laterales

a los elementos estructurales verticales que tienen que resistirlas.

COLUMNAS Son los miembros sometidos a compresión, frecuentemente sirven para apoyar en

ellas las vigas, transmiten la carga de los pisos superiores hasta la planta base

después del suelo a través de la cimentación.

Empotramiento en Columnas

Empotradas en 2 extremos

Articulada en dos extremos

En voladizo

Articulada al centro

La curva Elástica

Momento positivo interno concavidad hacia arriba

Momento negativo interno concavidad hacia abajo

Requisitos que deben cumplir las Estructuras

Equilibrio

La estructura se mantendrá firme y estable ante las cargas actuantes

Resistencia

Cuando la estructura sea sometida a todas y cada una de las cargas posibles se

mantenga integra en su totalidad en cada una de sus partes

Funcionalidad

La configuración formal espacial y cualidades de la estructura se adecuen a las

actividades que dentro del edificio se van a realizar

Economía

Cualidad de conducir cargas en la forma más fluida posible, lo que se traduce en

costo capital

Estética

Producir una expresión formal que revele la esencia o verdad estructural del

edificio (composición y estructura se adecuan, integran y complementan)

Materiales

Materiales Dúctiles

Deformaciones unitarias – Acero

Materiales Frágiles

No soportan Deformaciones Unitarias Grandes – Concreto

Clasificación de los Materiales de Acuerdo a su Resistencia

Uni-Resistentes

Resisten un solo esfuerzo – regularmente esfuerzos a compresión materiales petrios,

piedras, suelos, mampostería

Bi-Resistentes

Resisten compresión y tensión en la misma magnitud – acero

Adecuo Resistentes

Básicamente el concreto reforzado, en este material se combina las

características distintas pero complementarias del concreto y el acero

Factores para la elección de un material Estructural

Características Propias del Material

Natural

Fabricado

Resistencia

Magnitudes de la carga a aplicar

Distancia entre apoyos

Esfuerzo y deformación

Colocación Estructura – clima, accesibilidad, entorno

Libro

Introducción a la Tipología Estructural

Materiales Estructurales

Clasificación

Materiales que trabajan a compresión

Materiales que trabajan a tensión

Materiales que trabajan a Flexión

El éxito en el diseño de estructuras está basado en la habilidad para idear un

sistema que conduzca las fuerzas al suelo, a través de una forma que exija un

mínimo de materia y de la manera más fluida posible.

CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES

Estructuras trianguladas

Estructuras masivas

Estructuras Funiculares

Estructuras Membranáceas

Estructuras Laminares

Estructuras Verticales

Estructuras Combinadas

Estructuras Trianguladas

El mecanismo resistente de las estructuras trianguladas consiste en la

descomposición de fuerzas externas, las cuales transmiten axialmente a través de

las barras, sometiendo a estas ya sea a tensión o a compresión simple

dependiendo de la posición en que se encuentren dentro del conjunto.

Es recomendable que el ángulo que formen las barras este comprendido entre 45

y 60 grados, ya que ángulos mayores determinan que la barra casi no trabaje al

absorber cargas significativas

Tipos de armaduras tipo HOWE, PRATT, FINK Y WARREN

ARMADURAS

Las armaduras son los principales tipos triangulados en el plano, se pueden usar

como cubierta y como entrepiso.

Para armar armaduras entre sí, se utilizan elementos longitudinales llamados

costaneras, que unen los nudos y además sirven para la sustentación de la

cubierta trabajando a flexión, ya que el peso de la cubierta es perpendicular al

eje longitudinal de estos elementos

Dependiendo de la magnitud de las cargas laterales esperada, a veces se

requieren de elementos adicionales a los anteriormente mencionados. Estos son

tensores o breizas que amarran las armaduras diagonalmente o sea le dan rigidez

por triangulación

Entramados espaciales

Es una configuración donde se descomponen las cargas en tres dimensiones

colocando las barras en el espacio en ángulos convenientes

Estructuras masivas

En estos sistemas cualquiera sea el tipo de cargas aplicadas, si están actúan

perpendicularmente al eje longitudinal del elemento provocan deformaciones

por flexión, por lo cual la principal característica de estos elementos es su

voluminosidad material para resistir esta deformación. Por esta razón se les

denomina estructuras masivas

VIGAS

Las vigas se diferencian entre sí por las condiciones de apoyo, que determinan la

deformación del eje neutro o curva elástica.

Principales tipos de vigas

- Simplemente apoyada

- En voladizo

- Doblemente empotrada

MARCOS

Es una conformación entre vigas y columnas para trabajar como elemento único

RETICULA DE VIGAS

Es un entramado de vigas. En este caso la rigidez o control de la deformación de

los elementos, se logra a través de cruzar los elementos longitudinales con

elementos transversales del mismo tipo.

EL USO DE VOLADIZOS

Es una forma de controlar las deformaciones excesivas de las vigas haciendo que

el voladizo actué como contrapeso al claro anterior.

Líneas Isostáticas

Las líneas isostáticas son las que indican el recorrido de las tensiones dentro del

elemento estructural

COLUMNAS

Las columnas bajo el efecto de cargas axiales trabajan a compresión, debido a

que son elementos verticales que sirven de apoyo a los elementos horizontales.

Se determina que se consideran dos tipos de columnas

-Cortas si su relación de esbeltez es tal que NO se flexionan con cargas axiales

-Largas si debido a su relación de esbeltez SE flexionan con cargas axiales

LOSAS La losa es un tipo estructural que trabaja a flexión, pero en sentido lineal como las

vigas, sino en sentido superficial lo que se denomina comportamiento de placa

Dada su geometría y su trabajo a flexiona si como la necesidad de que el

elemento trabaje monolíticamente, el material más utilizado para este tipo es

concreto reforzado

Por el manejo del volumen resistente del peralte de la losa estas se pueden dividir

en dos grupos

Macizas y Nervuradas

Los dos tipos anteriores se pueden apoyar sobre columnas o bien sobre vigas

perimetrales, dando origen a dos subgrupos

Losas Planas y Borde portantes para las macizas

Losas Macizas planas Las losas macizas planas se apoyan sobre columnas, careciendo de vigas en

cualquier sentido, para evitar los esfuerzos punzantes de la conexión losa columna

se utiliza un capitel de mayo espesor en la conexión

Losas Nervuradas Estas se originan para resolver el problema de luces grandes en donde las

deformaciones son excesivas

La losa nervurada se conforma con una sucesión de vigas t trabajando

monolíticamente, lo que origina una losa nervurada en un sentido, la eficiencia

aumenta si se conforma en dos sentidos

Losas nervuradas según sustentación

Bordeportantes se sustentan sobre vigas perimetrales

Reticulares celuladas, las cuales apoyan directamente sobre elementos verticales

o columnas

ESTRUCTURAS FUNICULARES El funicular se logra determina en estructuras lineales en que la transmisión de

cargas es axial, variando de acuerdo con el tipo de carga que se aplique. Para el

efecto es necesario que el elemento estructural transmisor, sea flexible y de

escasas sección en relación a su longitud; de manera que la carga no encuentre

como obstáculo la rigidez del elemento en su transmisión.

También conocidos como estructuras de forma activa, cuya forma responde a las

cargas aplicadas de modo que las fuerzas internas resultantes son de compresión

o tensión directa.

Categorías de las estructuras funiculares

Estructura de curvatura simple: consiste en dos o más catenarias paralelas

separadas entre dos soportes primarios. Pueden soportar una cubierta

directamente (Techo curvo) o indirectamente (cubierta de puente).

Estructura de Doble Cableado: Son similares a las estructuras de curvatura sencilla

con cables estabilizadores agregados colocados debajo de la suspensión

primaria para resistir los empujes ascendentes del viento

Estructura de doble curvatura: Los cables de suspensión en una dirección se

tienden entre los soportes mientras los cables estabilizadores se colocan en

dirección perpendicular y jala hacia abajo para prevenir el empuje ascendente

del viento.

EL CABLE

El cable es el elemento estructural que reúne las características necesarias para

determinar el funicular para cada tipo de carga que se le aplique a la estructura

SUSTENTACION DEL CABLE

El uso del cable implica que para lograr el equilibrio del conjunto se requiere de

apoyos que sustenten el cable, ya que por ser flexible este no es un elemento

auto portante. Los anclajes reciben la resultante de la tensión lineal producida en

el cable.

El Arco El arco es una estructura bastante antigua que vino a influir decididamente en la

resolución de problemas estructurales, aumentando la posibilidad de cubrir

mayores distancias sin apoyos intermedios y con los materiales adecuados

únicamente a compresión, tiene características parecidas al cable pero este es

un elemento auto portante que debe ser rígido y es de sustentación inversa al

empuje de las fuerzas

Este empuje como en el caso del cable, es inversamente proporcional a la flecha

o altura del arco, a mayor flecha mayo empuje y viceversa

Los apoyos del arco se prefieren articulados, ya que permiten absorber el giro

producido por las deformaciones sin causar momento crítico en el apoyo

Estructuras Membranáceas Los elementos básicos de estos sistemas lo constituyen dos componentes: primero

las membranas, extendiéndose por membrana un superficie de espesor mínimo

en relación al área del elemento y además construida de un material flexible, que

le permita cambiar de forma de acuerdo con las cargas actuantes como en los

cables. Por otra parte los elementos sustentantes que pueden ser cables,

columnas, arcos o cualquier otro elemento capaz de mantener la membrana en

tensión

Dadas las circunstancias propias de las membranas, estas estructuras resultan

sumamente livianas en relación al área cubierta

Los esfuerzos cortantes que se pueden producir en la membrana por cargar

contenidas en el plano de la misma y de dirección opuesta, son mínimos, debido

al escaso espesor de la membrana, sin embargo si se producen fuertes esfuerzos

de punzonamientos por la misma razón en las áreas de contacto entre la

membrana y sus apoyos.

Sistema de Tienda El caso más elemental de estos sistemas es la membrana tendida sobre un solo

apoyo vertical, la membrana trabajara por tensión y el apoyo en este caso a

compresión. El espacio definido por este sistema se puede aprovechar

arquitectónicamente.

Áreas rectangulares pueden ser cubiertas con estos sistemas si se alternan cables

sustentadores sobre columnas que soportan la membrana, con cables

estabilizadores que la tensión. En este caso no habrá apoyos intermedios en el

área cubierta.

Las membranas también pueden ser sustentadas sobre arcos, bajo las mismas

condiciones o sea manteniendo la membrana en la mayor tensión posible. En

este caso los únicos apoyos con que cuenta la estructura son los del arco y el cual

lleva las cargas al suelo por compresión.

La estabilización es muy importante en las membranas, aparte de cables como

elementos estabilizadores, también se puede emplear como ya se indicó la doble

curvatura como elemento estabilizador aumentante la resistencia de las cargas

asimétricas y reduciendo sus deformaciones al mínimo

En cuanto a la conducción de fuerzas dentro de la membrana; se ha logrado

determinar que existen dos direcciones principales de conducción, ambas a

tensión y perpendiculares la una a la otra.

Sistemas Neumáticos

Otra forma de sustentación de las membranas y que resulta reamente

innovadora, producto de la inventiva e ingenio es el uso de la presión del aire

como estructura. En las membranas estructurales como en los globos de aire

como estructura la presión de aire adapta su forma poniéndose en tensión

cuando alcanza su extensión máxima al inflarse

La única sustentación en el caso mencionado es la presión de aire la cual se

obtiene por medios mecánicos. Para lograrlo es necesario encerrar cierta

cantidad de aire dentro de una membrana evitando todos los escapes del mismo

Las características de estos sistemas es su uso adecuado para espacios grandes

que no requieran apoyos intermedios.

La sustentación de la cubierta de mebrna se lleva acabo con apoyos aislados

generalmente como ocurre con un sistema de cables paralelos si el espacio es

rectangular, o bien anillos si el espacio es circular

La estabilización de estos sistemas es un punto muy importante puesto por su falta

de rigidez se puede concebir como una estructura funicular superficial, o bien

una sucesión bidimensional de cables.

Estructuras Laminares

En las estructuras laminares, las cargas actuantes son conducidas o difundidas a

través de una superficie con determinada forma, de poco peso y espesor. La

rigidez y capacidad de estas estructuras para transmitir cargas se debe

principalmente a su forma superficial, mucho más que de su masa.

Estas superficies estructurales deben tener poco espesor y en consecuencia poco

peso, lo que disminuye sus deformaciones y aumenta su capacidad de cobertura

de espacios más grandes sin apoyos intermedios

Las estructuras laminares pueden tener las más variadas formas, sin embargo

tienen íntima relación con la forma funicular y anti funicular de las cargas

actuantes sobre ellas.

Sin embargo existen estructuras superficiales curvas pero con directrices rectas

llamadas superficies regladas, que simplifican en gran medida el problema del

encofrado si la estructuras es de concreto reforzado

Las principales superficies estructurales son las siguientes:

LAMINA PLEGADA

La lámina plegada es una superficie de parámetros rectos y aristas rectas. El

mecanismo para darle rigidez a este tipo de estructura consiste en plegar la

superficie entre más pliegues tenga más rígida será la superficie.

Su mecanismo resistente como todas las láminas estructurales consiste en la

conducción superficial de fuerzas a través de la forma

Las cargas actuantes verticales tienden como en las vigas macizas a provocar

desplazamiento en el sentido de als cargas produciendo una curvatura en la

sección longitudinal

La lámina plegada por lo general debe apoyarse únicamente en los extremos,

coincidiendo los apoyos sustentantes con los pliegues inferiores de la lámina

El número de pliegues en la lámina plegada aumenta la rigidez y reduce la

deformación de la estructura.

LAMINA PLEGADA

Si se llega al extremo de plegar la lámina plegada en un número de pliegues

infinitos de tal manera que los segmentos rectos comprendidos entre pliegues se

obtienen entonces una lámina curva

Esto quiere decir que la lamina cilíndrica no solo es más rígida que la lámina

plegada sino que también es más liviana puesto que al reducirse los momentos

flexionantes transversales mediante la curvatura el espesor puede decrecer

En la antigüedad existio una estructura similar desde el punto de vista formal a la

lamina cilíndrica y fue la bóveda. Esta se origina de una sucesión de arcos de

medio punto. Sin embargo su trabajo estructural es totalmente distinto al de la

lámina por esta edificada en materiales resistentes solo a la compresión

LAMINA TORAL

Así si se multiplica el número de quiebres longitudinales, llegara un momento en

que la distancia entre ellos es insignificantes con la cual los segmentos rectos se

reducen al mínimo, y en este momento se tienen una superficie de doble

curvatura, tanto longitudinal, como transversal.

LAMINA ESFERICA

La lámina esférica como su nombre lo indica es una superficie derivada de la

esfera, por lo que sus secciones transversales siempre serán curvas

Geométricamente se puede concebir como un arco en revolución que gira

alrededor de un eje contenido en su propio plano

PARABOLOIDES

Los paraboloides como su nombre lo indica son superficies generadas por

parábolas. Los hay generados por curvaturas positivas y por curvaturas inversas.

En ambos casos la parábola generatriz se desliza perpendicularmente al plano de

la parábola generatriz

Esto genera superficies que en sus secciones transversales son parábolas si el

plano de las secciones es paralelo a estas.

El paraboloide generado con curvaturas positivas se le llama paraboloide elíptico

y al generado con curvaturas inversas se le llama paraboloide hiperbólico

CONOIDE

Esta lamina pertenece a la misma familia del paraboloide hiperbólico, ya que

aparte de ser una superficie reglada, tiene un comportamiento similar

geométricamente esta lamina se genera con dos directrices una recta y una

curva y una generatriz recta que se desplaza perpendicularmente a los planos de

ambas directrices.

FORMAS LIBRES

Las formas libres son estructuras laminares que no tienen una generación

geométrica tan clara y definida como en las láminas descritas con anterioridad.

Sus generatrices y directrices pueden variar sin obedecer a un patrón establecido

o rígido en el sentido geométrico

ESTRUCTURAS VERTICALES Las estructuras verticales se caracterizan por transmitir cargar desde planos

situados a gran altura hacia el suelo. Estas surgen con el crecimiento de las

ciudades y el afán de aprovechar al máximo el área disponible.

SISTEMA RETICULAR

Es aquel donde los apoyos se encuentra repartidos en la planta modularmente y

se empela en situaciones en que los apoyos intermedios no estorban a la función

del espacio las luces pueden ser pequeñas y moderadas

SISTEMA PERIMETRAL

Es aquel en que los apoyos se encuentran repartidos en el perímetro de la planta

y se usa en problemas en que se requieren áreas libres de apoyos

Las luces pueden ser moderadas a grandes y conducir las cargas verticales

aplicadas hacia la periferia

SISTEMA DE NUCLEO CENTRAL

Concentra el soporte de la estructura en un apoyo único centralizado en la

planta, por lo que los entrepisos quedan todos en voladizo

SISTEMA DE MUROS DE CORTE

Es un mecanismo similar al perimetral pero tiene la ventaja sobre aquel en que

ese cumple no solo una función sustentate sino también de estabilización