Identificación de los Sistemas Estructurales

Identificación de los Sistemas Estructurales Básicos
Introducción
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 (Marshall y Nelson, 1995).
La anterior definición genera diferentes tópicos tales como: fuerza, momento de una fuerza,
esfuerzo, deformación etc., que buscan cumplir con la premisa expuesta anteriormente. Para lo
cual, estas notas pretenden introducir al estudiante en el área de la estabilidad, indicando las
exigencias que debe cumplir una estructura y una descripción cualitativa de las diferentes formas
que se pueden concebir en la estructura, para desempeñar la acción impuesta por el arquitecto e
ingeniero estructural.
Esta descripción cualitativa no basta para definir una estructura con todos sus detalles, hace falta
conocer de estática, mecánica de materiales, análisis estructural mecánica de suelos y diseño de
elementos de un material dado (acero, concreto armado, madera etc..), que permiten establecer
una estructura que cumpla con la definición dada.
Exigencias de la edificacion
El uso que se le dará a la edificación establece ciertas exigencias relativas a funcionalidad,
seguridad, urbanismo y economía.
Exigencias de funcionalidad. Dependen de la función que tiene lo edificado.
Exigencias de seguridad y confort. Determinan el tipo y la calidad de los materiales a emplear en
la construcción.
Urbanísticas. Integran la edificación a un medio ambiente.
Económicas. Definen los costos de la obra a construir.
Una Edificación es de acuerdo a lo anterior, el producto de un sistema de relaciones geométricas
y resistentes que permiten indicar la forma y función de cada una de las componentes que la
constituyen, donde la principal exigencia es que sea segura estáticamente, esto implica que los
edificios no deben derrumbarse. En consecuencia se debe garantizar desde el mismo instante de
concebirse la edificación la estabilidad del sistema estructural.
La garantía de estabilidad se basa en principios estáticos que se pueden clasificar en:
1. Principios estáticos básicos que optimizan el comportamiento de los materiales ante diferentes
solicitudes de carga y se refieren a los esfuerzos básicos de tracción, compresión y corte.
2. Principios estáticos complejos que esta compuesto por los diferentes preceptos:
-
Dintel: Se basa elementos horizontales lineales que se apoyan en elementos verticales a
compresión (Fig 1A).
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
-
Pórtico: Se crean elementos horizontales que se encuentran unidos a elementos verticales,
de forma tal que se origina la continuidad en todo el conjunto asegurando la estabilidad del
mismo (Fig 1B).
Figura 1. Dintel y Pórtico.
-
Arco: Se basa en el elemento constructivo arco. Permite cubrir mayor longitud; no
solamente soportan compresión, sino el empuje horizontal que les transmite el arco siendo
necesario tirantes y contrafuertes (Fig 2A).
-
Triángulo: Consiste en vano de dos elementos en forma triangular con el suelo. Son barras
articuladas sometidas a tracción y compresión (Fig 2B).
Figura 2. Arco y Triangulo.
-
Árbol: Definido por elementos verticales de soporte aislado que sostienen individualmente
cubiertas horizontales (Fig 3A).
-
Neumático: Se basa en formar componentes constructivos con materiales elásticos que
permitan inflarlos de aire (Fig 3B).
Figura 3. Árbol y Neumático.
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
Clasificación de Sistemas Estructurales
1. Sistema de Forma Activa: Estructuras que trabajan a tracción o compresión simples, tales
como los cables y arcos.
2. Sistemas de Vector Activo: Estructuras en estados simultáneos de esfuerzos de tracción y
compresión, tales como las cerchas planas y espaciales.
3. Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexión, tales como las vigas, dinteles,
pilares y pórticos.
4. Sistemas de Superficie Activa: Estructuras en estado de tensión superficial, tales como las
placas, membranas y cáscaras (Orozco, 1999).
Sistemas de Forma Activa
Cables
Los cables son estructuras flexibles debido a la pequeña sección transversal en relación con la
longitud. Esta flexibilidad indica una limitada resistencia a la flexión, por lo que la carga se
transforma en tracción y también hace que el cable cambie su forma según la carga que se
aplique. Las formas que puede adoptar el cable son:
1. Polígono funicular, es la forma que adopta el cable ante fuerzas puntuales.
2. Parábola, es la curva que adquiere el cable ante una carga horizontal uniformemente
repartida.
3. Catenaria, es la figura que forma el cable ante el peso propio del mismo.
Figura 4. Formas que adopta un cable.
Un cable no constituye una estructura auto portante a menos que cuente con medios y
procedimientos para absorber su empuje. Esto se logra canalizando sobre las torres la tracción del
cable y anclando en tierra (Fig. 5)
Con este tipo de sistema estructural se han construido puentes que en la actualidad el más largo es
el Akashi-Kaikio en Japón y tiene una luz de 1900 m (Avalos, 1998; Salvadori, 1998).
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
Figura 5. Elementos del sistema de cables.
Arcos
Si se invierte la forma parabólica que toma un cable, sobre el cual actúan cargas uniformemente
distribuidas según una horizontal, se obtiene la forma ideal de un arco que sometido a ese tipo de
carga desarrolla sólo fuerzas de compresión. El arco es en esencia una estructura de compresión
utilizado para cubrir grandes luces.
Figura 6. Estructuras usando arcos.
En gran diversidad de formas, el arco se utiliza también para cubrir luces pequeñas, y puede
considerarse como uno de los elementos estructurales básicos en todo tipo de arquitectura.
La forma ideal de un arco capaz de resistir cargas determinadas por un estado de compresión
simple, puede hallarse siempre con la forma del polígono funicular correspondiente invertido
(Fig. 7). Por medio de este método, determinó el arquitecto español Gaudí, la forma de los arcos
para la iglesia la Sagrada Familia, en Barcelona.
Figura 7. Forma ideal del arco.
Los arcos generan fuerzas horizontales que se deben absorber en los apoyos mediante
contrafuertes o tensores enterrados. Cuando el material de los cimientos no es apropiado el
empuje del arco hacia afuera se absorbe mediante un tensor.
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
La forma de un arco no se elige por motivos puramente estructurales. El arco de medio punto,
usado exclusivamente por los romanos, posee propiedades constructivas que justifican su empleo.
Asimismo, el arco gótico posee ventajas tanto visuales como estructurales, mientras que el arco
árabe, típico de las mezquitas y de cierta arquitectura veneciana, es "incorrecto" desde un punto
de vista puramente estructural.
Con este tipo de estructura se construyó el Puente New River George en West Virginia que es
una estructura de acero que cubre 518,66 m (Avalos, 1998; Salvadori, 1998).
Sistemas de Vector Activo
Cerchas
Considérese ahora la estructura obtenida volcando el cable hacia arriba y reforzando sus tramos
rectos con el fin de conferirles resistencia a la compresión. La "flecha negativa" o elevación
modifica la dirección de todas las tensiones y el cable invertido se convierte entonces en una
estructura de compresión pura: es el ejemplo más simple de armadura (Fig. 8a y 8b). Las barras
comprimidas transmiten a los soportes la carga aplicada a la parte superior de la armadura, sobre
los apoyos actúan fuerzas verticales iguales a la mitad de la carga y los empujes dirigidos hacia
afuera. El empuje puede absorberse por medio de contrafuertes de material resistente a la
compresión como la mampostería, o un elemento de tracción tal como un tensor de acero. Estas
armaduras elementales de madera con tensores de hierro, se construyeron en la Edad Media para
sostener los techos de pequeñas casas e iglesias (Fig 8c).
Figura 8. Cerchas
Las barras de una armadura no van más allá de los puntos de unión. Esta se realiza por medio de
remaches, pernos o soldadura a una “cartela” dispuesta en la intersección de las barras (Fig 9).
Figura 9. Cartela.
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
Con este tipo de estructura lo usual es cubrir hasta luces de 20 m, pero se han logrado mayores
luces (Avalos, 1998; Salvadori, 1998).
Sistemas de Masa Activa
Vigas
Las vigas figuran entre los elementos estructurales más comunes, dado que la mayor parte de las
cargas son verticales y la mayoría de las superficies utilizables son horizontales. Por
consiguiente las vigas transmiten en dirección horizontal las cargas verticales, lo que implica una
acción de flexión y corte. Los arcos funiculares ocupan un extremo de la escala de tensiones, con
ausencia de flexión; las vigas ocupan el extremo opuesto, trabajando sólo a la flexión.
En una viga simplemente apoyada, una carga aplicada en el punto medio se transmite por mitades
a ambos apoyos (Fig. 10). En las vigas de volado esta se trasmite al extremo apoyado (Fig. 11).
(Salvadori, 1998)
Figura 10. Viga simplemente apoyada.
Figura 11. Viga en volado.
Las máximas luces que se pueden conseguir en vigas varían según el material y la forma de la
sección transversal.
Figura 12. Pilar y dintel.
Dinteles y Pilares
El sistema de pilar y dintel pueden construirse uno sobre otro para levantar edificios de muchos
pisos. En este caso, los dinteles apoyan en pilares o en paredes de altura igual a la del edificio. Si
bien la construcción de este tipo puede resistir cargas verticales, no ocurre lo mismo con las
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
horizontales, así los vientos huracanados y terremotos dañan con facilidad este sistema, pues la
mampostería y los elementos de piedra poseen escasa resistencia a la flexión y no se establece
una conexión fuerte entre los dinteles y pilares (Salvadori, 1998).
Pórticos
La acción del sistema de pilar y dintel se modifica en grado sustancial si se desarrolla una unión
rígida entre el dintel y el pilar llamándose ahora viga y columna (Fig. 13). Esta nueva estructura,
denominada el pórtico rígido simple o de una nave, se comporta de manera monolítica y es más
resistente tanto a las cargas verticales como a las horizontales.
Figura 13. Pórtico
A medida que aumentan el ancho y la altura del edificio, resulta práctico aumentar el número de
naves, reduciendo así la luz de las vigas y absorbiendo las cargas horizontales de manera más
económica. La estructura resistente del edificio se convierte de este modo en un pórtico con una
serie de mallas rectangulares que permiten la libre circulación en el interior, y es capaz de resistir
tanto cargas horizontales como verticales. Una serie de estos pórticos, paralelos entre sí y unidos
por vigas horizontales, constituye la estructura tipo-jaula que encontramos hoy en la mayoría de
los edificios de acero o de concreto armado. Estos pórticos tridimensionales actúan integralmente
contra cargas horizontales de cualquier dirección, pues sus columnas pueden considerarse como
parte de uno u otro de dos sistemas de pórticos perpendiculares entre sí (Fig. 14).
Figura 14. Pórtico tridimensional.
Bajo la acción de cargas verticales, los tres elementos de un pórtico simple se hallan sometidos a
esfuerzos de compresión y flexión. Con las proporciones usuales de vigas y columnas, la
compresión predomina en las últimas y la flexión en las primeras. Las columnas son
relativamente esbeltas y la viga relativamente alta (Salvadori, 1998).
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
Sistemas de Superficie Activa
Placas
Los sistemas de entramado son particularmente eficientes para transferir cargas concentradas y
para lograr que toda la estructura participe en la acción portante. Esta eficiencia se refleja no sólo
en la mejor distribución de las cargas sobre los apoyos, sino en la menor relación espesor a luz de
los entramados rectangulares. La relación espesor a luz en los sistemas de vigas paralelas
empleados en la construcción corriente varía entre [1/10, 1/24], según el material de las vigas.
Figura 15. Acción de placa.
En el proyecto moderno de edificios de oficinas, es común apoyar las placas de piso sobre una
pared exterior o sobre una serie de columnas y en el “núcleo” interno, dentro del cual se disponen
los ascensores, conductos de aire acondicionado y otros elementos del sistema mecánico,
eléctrico y sanitario. De esa manera se obtiene una zona de piso totalmente libre (Fig. 16).
Figura 16. Placa de piso con núcleo interno.
La unión entre columnas y placas debe proyectarse para absorber el llamado “punzonamiento” de
las columnas y requiere a menudo el uso de capiteles o placas intermedias de distribución. A fin
de evitar capiteles, se emplean conectores de corte de acero, para garantizar la transferencia de la
carga desde la columna a la placa en el proyecto de hormigón armado.
La eficiencia estructural de las placas puede aumentarse reforzándolas con nervaduras,
eliminando así parte del material de la zona próxima al plano neutro sin tensiones (Fig 17). Las
placas plegadas pueden hacerse de madera, acero, aluminio o concreto armado. Las de este
último material son particularmente económicas, pues es posible preparar su encofrado con
tablones rectos, o bien prefabricar las losas de concreto en tierra, izarlas hasta su lugar y
conectarlas soldando las barras transversales en el pliegue, con lo que se evita la mayor parte del
encofrado (Salvadori, 1998).
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
Figura 17. Placa con nervaduras.
Membranas
Una membrana es una hoja de material tan delgada que para todo fin práctico, puede desarrollar
solamente tracción. Algunos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En
general, las membranas deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por pre-tensión
producido por fuerzas externas o presión interna. El pretensado permite que una membrana
cargada desarrolle tensiones de compresión hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de
tracción incorporadas a ellas.
Figura 18. Ejemplos de membranas pretensadas
No obstante la inconsistencia de las membranas respecto a la mayor parte de los estados de
tensión, el ingenio humano ha hallado maneras de utilizar membranas para fines estructurales,
sobre todo debido a su bajo peso. La carpa del circo es una membrana capaz de cubrir decenas de
metros, siempre que la tela cuente con adecuado sostén en parantes de compresión, estabilizados
por riendas de tracción (Fig. 18). Las carpas son útiles como cubiertas temporarias y aceptables
como techos permanentes si son altamente pretensadas (Salvadori, 1998).
Cáscaras
Se denominan estructuras resistentes por la forma a aquéllas cuya resistencia se obtiene dando
forma al material según las cargas que deben soportar. Una membrana invertida y sometida a las
mismas cargas para las cuales se le dio forma originariamente, seria una estructura de este tipo y
desarrollaría sólo compresión, es decir, constituiría el antífunicular bidimensional de esas cargas
(Fig. 19).
Figura 19. Cáscaras
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina
Su movilidad e incapacidad para resistir tensiones de corte o de compresión, restringen el uso de
las membranas. Todas las desventajas de la acción de membrana se evitan conservando al mismo
tiempo la mayor parte de sus ventajas en las cáscaras delgadas.
Figura 20. Formas de cáscaras.
Las cáscaras delgadas son estructuras resistentes por la forma, suficientemente delgadas para no
desarrollar tensiones apreciables de flexión, pero también suficientemente gruesas para resistir
cargas por compresión, corte y tracción. Aunque se las ha construido de madera, acero y
materiales plásticos, son ideales para construirlas en concreto armado. Las cáscaras delgadas
permiten la construcción económica de cúpulas y otros techos curvos de formas diversas, gran
belleza y excepcional resistencia (Fig. 20), este tipo de estructura figura entre las expresiones más
refinadas del diseño estructural (Salvadori, 1998).
Referencias Bibliográficas
-
Avalos, E. (1998). Construcción para Arquitectos Tomo 2. Medellín, Colombia: Universidad
Pontificia Bolivariana.
Marshall, W. y Nelson, H. (1995). Estructuras. México D. F., México: Alfaomega Grupo
Editor, S.A. de C.V.
Orozco, E. (1999). La Estática en los Componentes Constructivos. San Cristóbal, Venezuela:
UNET.
Salvadori, M. (1998). Estructuras para Arquitectos. Buenos Aires, Argentina: Kliczkowski
Publisher.
Facultad de Arquitectura y Diseño
Universidad de Los Andes, Venezuela
Sistemas Estructurales 10
Prof. Jorge O. Medina