La estructura de los edificios

La estructura de los edificios
Enric Barba Casanovas
Título: La estructura de los edificios
Autor: © Enric Barba Casanovas
Ilustraciones: Enric Barba Casanovas
David Barba Teodoro
ISBN-13: 978-84-8454-568-2
ISBN-10: 84-8454-568-7
Depósito legal: A-957-2006
Edita: Editorial Club Universitario Telf.: 96 567 61 33
C/. Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante)
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Printed in Spain
Imprime: Imprenta Gamma Telf.: 965 67 19 87
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procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de
información o sistema de reproducción, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright
Índice
Presentación................................................................................................................................................ 7
1 Introducción ......................................................................................................................................... 11
1.1
1.2
1.3
El edificio ..................................................................................................................................... 11
La estructura................................................................................................................................ 11
Acciones que debe suportar la estructura ................................................................................... 15
2 Los materiales y su comportamiento mecánico .............................................................................. 33
2.1
2.2
Elasticidad, plasticidad y fragilidad.............................................................................................. 35
Deformación y rotura de los materiales....................................................................................... 38
3 El terreno .............................................................................................................................................. 49
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Comportamiento mecánico y unidades de medida ..................................................................... 49
Tipos de suelo ............................................................................................................................. 50
Principios básicos de comportamiento ........................................................................................ 54
El agua en el terreno ................................................................................................................... 60
La consolidación de los suelos deficientes ................................................................................. 64
Los estudios geotécnicos ............................................................................................................ 67
4 La Cimentación .................................................................................................................................... 73
4.1
4.2
4.3
La cimentación directa................................................................................................................. 74
Cimentaciones profundas ............................................................................................................ 89
Cimentación de edificios de gran altura ...................................................................................... 96
5 Los elementos verticales .................................................................................................................... 99
5.1
5.2
5.3
5.4
Pilares, columnas y muros de carga ........................................................................................... 99
Su funcionamiento como transmisores de cargas gravitatorias................................................ 100
El viento y las acciones sísmicas .............................................................................................. 101
Los muros de contención .......................................................................................................... 103
6 Elementos horizontales..................................................................................................................... 109
6.1
6.2
Elementos simples..................................................................................................................... 109
Los elementos superficiales ...................................................................................................... 121
7 La estructura en conjunto................................................................................................................. 141
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
La estructura en la construcción popular tradicional ................................................................. 141
Los sistemas abovedados ......................................................................................................... 149
Comportamiento frente a los seísmos....................................................................................... 155
Los entramados de la construcción actual ................................................................................ 155
El cálculo de la estructura ......................................................................................................... 158
La documentación de la estructura ........................................................................................... 160
8 Construcción de la estructura tradicional....................................................................................... 165
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
Materiales .................................................................................................................................. 165
Los elementos verticales ........................................................................................................... 165
Los arcos y las bóvedas ............................................................................................................ 175
Los forjados y elementos de cobertura. .................................................................................... 179
La modernización de la construcción tradicional....................................................................... 182
9 Construcción de la estructura metálica .......................................................................................... 187
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
Los materiales ........................................................................................................................... 187
Los perfiles ................................................................................................................................ 188
Medios de unión ........................................................................................................................ 198
Los nudos .................................................................................................................................. 199
La construcción de naves .......................................................................................................... 201
Comportamiento ........................................................................................................................ 207
Edificios de varias plantas ......................................................................................................... 208
Actuaciones en edificios existentes........................................................................................... 211
La cimentación........................................................................................................................... 212
10 Construcción actual de la estructura de madera ........................................................................... 213
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
Los materiales ........................................................................................................................... 213
Normativa .................................................................................................................................. 216
Las uniones ............................................................................................................................... 217
Los sistemas estructurales ........................................................................................................ 221
La cimentación........................................................................................................................... 227
La madera y la ecología ............................................................................................................ 228
11 Construcción de la estructura de hormigón armado..................................................................... 229
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
11.9
11.10
El hormigón................................................................................................................................ 229
El hierro ..................................................................................................................................... 232
El encofrado............................................................................................................................... 234
Diseño de las armaduras........................................................................................................... 238
La estructura mixta acero-hormigón.......................................................................................... 250
La estructura prefabricada de hormigón ................................................................................... 250
Proceso de ejecución ................................................................................................................ 251
Transporte y vertido del hormigón............................................................................................. 252
Cuidados durante el endurecimiento......................................................................................... 255
El desencofrado......................................................................................................................... 255
12 Construcción de cimentaciones de hormigón armado ................................................................. 257
12.1 Cimentaciones superficiales...................................................................................................... 257
12.2 Cimentaciones profundas .......................................................................................................... 258
Bibliografía recomendada...................................................................................................................... 267
Presentación
Este libro está destinado, en principio, a los alumnos de la Diplomatura en Estudios Inmobiliarios y, por
extensión, a todas las personas que aun trabajando en el sector de la Construcción, no están implicadas en los
trabajos de edificación y están interesados en conocer en líneas generales cómo es, funciona y se construye la
estructura de un edificio.
Para ello se ha buscado la sencillez y la asequibilidad, huyendo en lo posible de tecnicismos. Sin embargo se
han introducido términos de uso general en las obras para que el lector los conozca y se habitúe a ellos.
Se pretende que se entienda la “lógica” de todo el proceso, desde el diseño, el por qué se calcula de una
determinada forma hasta cómo se construirá, sin por ello entrar en complejos planteamientos matemáticos.
Ante el vastísimo panorama de sistemas y soluciones estructurales existente en la actualidad se ha optado por
circunscribir el estudio a los sistemas más empleados o conocidos actualmente en España por ser los que el
interesado se va a encontrar habitualmente.
Alicante, Octubre de 2006
I
- Bases -
1
Introducción
1.1
El edificio
Un edificio es algo destinado a cobijar a seres humanos, sus enseres y/o animales, para protegerles de las
inclemencias naturales (frío, calor, viento, etc.) y de la agresión de otros seres humanos o animales
(guerras, robos, etc.). Para materializar esta protección el edificio consta de unos cerramientos verticales
y una cubierta que lo envuelven a modo de piel.
Además, el edificio, para cumplir su misión, debe de disponer de espacios por donde transitar las personas
y poder dejar sus enseres. Para ello se suele organizar por plantas, a veces una sola o varias
superpuestas, para ganarle espacio al suelo, conectadas entre sí y con el exterior mediante rampas,
escaleras o ascensores.
A su vez, cada una de las plantas, en función de las necesidades, suele dividirse interiormente en locales y
estancias, mediante particiones interiores. Estas particiones son de diverso tipo y jerarquía; así las de
menor entidad son los tabiques que separan estancias con un mismo uso entre sí, siguiendo las que
separan estancias de usos distintos y en un nivel más alto las que separan distintas propiedades o que
delimitan una propiedad respecto a los elementos comunes de circulación del edificio.
1.2
La estructura
La estructura es la parte del edificio cuyo cometido es sostener todas las partes antes citadas y asegurar
que éste sea estable físicamente y que esta estabilidad se mantenga a lo largo del tiempo, todo ello dentro
de unos límites razonables.
Así, la estructura de un edificio constará generalmente de los siguientes elementos:
11
Introducción
La cimentación, que es el conjunto de elementos que hace posible que el edificio descanse en el
suelo, para que este apoyo sea estable y duradero.
Los elementos verticales que se apoyan en la cimentación y reciben las cargas de las distintas plantas.
Los hay de distintos tipos; así tenemos los pilares y columnas, que son elementos lineales, y los
denominados muros de carga, que son elementos planos que sirven como elemento estructural y a su
vez como cerramiento o partición.
Los forjados y las losas, que son elementos planos sensiblemente horizontales o a veces
deliberadamente inclinados que a su vez se apoyan en muros o pilares.
La distinción entre los términos forjado y losa es sutil y responde a la estructura interior de los
mismos; así, se considera losa a un elemento absolutamente macizo y uniforme, mientras
que un forjado posee una estructura interna a modo de nervios que permite aligerarlo.
Su uso es muy variado, pudiendo servir para conformar los siguientes elementos:
12
•
La cubierta del edificio.
•
Los elementos fijos de circulación interior (escaleras y rampas).
•
El suelo de cada una de las plantas.
Dentro de este grupo cuando un forjado tiene el cometido de separar la planta baja del terreno
se le denomina forjado sanitario.
La estructura de los edificios
Los entramados, que suelen ser elementos complejos formados por muchos elementos lineales unidos
entre sí (a modo de esqueleto) con usos variados tales como soportar la cubierta o salvar una distancia
muy grande.
Un edificio común de planta baja tiene un suelo (con forjado sanitario o sin) y una cubierta (ya sea mediante
un forjado o con un entramado). Un edificio de varios pisos suele tener un suelo, varios forjados intermedios
(uno por cada piso) y una cubierta. Todo ello con unos pilares y/o muros que hacen de nexo entre la
cimentación y los elementos citados.
Hay edificios singulares que no cumplen este esquema; así tenemos los monumentos u otras construcciones
para usos específicos que no suelen estar organizados por plantas y disponen de pasillos y escaleras
interiores para su visita (la Torre Effiel, los faros, etc.). En ellos también suele haber forjados, pero con un
papel muy secundario.
13
Introducción
1
Cerramientos verticales
2
Cubierta
3
Planta intermedia
4
Escalera
5
Partición interior
2
10
6
Cimentación
7
Pilar
8
Muro de carga
9
Forjado intermedio
10
Forjado de cubierta
11
Forjado sanitario
12
Losa de escalera
9
3
12
5
9
12
7
1
8
4
11
Figura 1
6
14
6
La estructura de los edificios
1.3
Acciones que debe suportar la estructura
Para diseñar, calcular y dimensionar una estructura debemos de estimar qué cargas actúan sobre ella con
el mayor grado de aproximación posible.
En nuestro pais, en la normativa de obligado cumplimiento dentro del ámbito de la construcción: el 'Código
Técnico de la Edificación' y dentro de él, en el 'Documento Básico Seguridad Estructural' (DB-SE), se
engloban las normas que indican cómo se deben de considerar y evaluar las acciones que recibe el edificio.
Son las siguientes:
DB-SE-AE Acciones en la Edificación', que trata de las acciones en general.
NCSE-02 Norma de Construcción Sismorresistente', que trata del diseño y cálculo de la estructura de
los edificios frente a las acciones sísmicas.
Y a nivel europeo también existen unas normas que cumplen el mismo cometido:
Eurocódigo 1 Bases de Proyecto y Acciones en Estructuras'.
Eurocódigo 8 Disposiciones para el Proyecto de Estructuras Sismorresistentes.'
Esta duplicidad de normas es común en la Comunidad Europea. Así, las normas que redacta cada país
individualmente sólo son de uso en el ámbito de su territorio y las “Euro-Normas” aun siendo potestativas
permiten a cualquier técnico intervenir más cómodamente en una obra sea cual sea el país (dentro de la
Comunidad). Las autoridades y organismos de control de todos los países comunitarios están obligados a
aceptar los proyectos que cumplan los Eurocódigos, aunque pudiera darse el caso de que entrara en
contradicción con sus normas nacionales.
15
Introducción
1.3.1
Unidades de medida
Tradicionalmente, en el mundo de la construcción español se han venido empleando para designar las
2
cargas el Kilopondio y el metro. Así, una carga repartida en una superficie se designaba en Kp/m .
En toda Europa de emplea actualmente para este cometido el Sistema Internacional de Unidades, el cual
contempla que las fuerzas se expresarán en Newtons y las longitudes en metros (o sus múltiplos y
submúltiplos). Esta convención es fruto del esfuerzo de los representantes del mundo científico y técnico
para conseguir un sistema uniforme con la ambición puesta en que sea universal, para que cualquier
persona sea capaz de interpretar un documento técnico, sea del país que sea.
La normativa reciente española, fruto del interés en la armonización con los demás países de Europa,
establece como obligatorio el empleo del sistema internacional.. Sin embargo no es infrecuente encontrar
técnicos que siguen empleando los kilopondios.
Para que la persona habituada al sistema tradicional comprenda las magnitudes que se manejan, a
continuación se inserta una tabla de equivalencias entre las unidades empleadas tradicionalmente y las
del S.I. que se vienen empleando para los mismos casos.
16
La estructura de los edificios
Sistema
Internacional
Sistema
MKS
Cargas puntuales
KN
Kp
Cargas lineales
KN/m
Kp/m
Acciones aplicadas a lo largo de una línea
Ejemplo el peso de un muro encima de un forjado
Cargas
superficiales
KN/m2
Kp/m2
Acciones aplicadas sobre una superficie
Ejemplo: el peso del pavimento en una planta
Peso específico
de un material
KN/m3
Kp/m3
Unidades accesorias para el cálculo de cargas
Comentario
Acciones aplicadas en un punto concreto
Ejemplo: la maquinaria de un ascensor sobre su losa de apoyo
Tabla 1
Para el paso de las unidades enumeradas del sistema tradicional al internacional, en cualquiera de los
cuatro casos habrá que efectuar una división entre 100 y viceversa.
1.3.2
Tipos de cargas y estimación de sus valores
El conocimiento de estos valores es de gran utilidad para poder reflexionar sobre la magnitud de las
cargas a que sometemos habitualmente una estructura y la previsión que se hizo cuando se calculó ésta.
No es inusual que un edificio esté sometido en un momento de su vida a acciones de mayor magnitud de
las que se tuvieron en consideración cuando se diseñó.
Algunas acciones se pueden evaluar directamente a partir del peso específico de los materiales que se
emplean y en el caso de que esto no fuera posible se recurre a una estimación siempre del lado de la
seguridad.
Según su origen las normas establecen una clasificación sistemática.
17
Introducción
1.3.2.1
Acciones permanentes
Como su nombre indica, se denominan así las cargas que gravitan en el edificio de forma permanente.
La siguiente tabla muestra una clasificación de las mismas y su cuantificación aproximada.
Valores usuales
Peso propio de la estructura
Peso del pavimento
Peso del cielo raso
Peso de los elementos no
estructurales de la cubierta
Se contempla habitualmente como un tanto por metro cuadrado
incluyendo los forjados y la parte proporcional de elementos
verticales (pilares y/o muros), aunque puede medirse exactamente.
de 0,50 a 1,10
KN/m2
de 0,10 a 0,30
KN/m2
de 0,50 a 3,00
KN/m2
Aunque la norma lo estime así, la realidad es que un pavimento de
terrazo habitualmente pesa alrededor de 1,60 KN/m2
de 2,50 a 8,00
KN/m
Tabiques interiores
de 0,80 a 1,00
KN/m2
1.3.2.2
18
de 2,00 a 4,50
KN/m2
Peso de los cerramientos y
divisiones excepto los
tabiques interiores de
pequeño espesor
Otras cargas permanentes
Comentarios
-
Tabla 2
El cómputo es por metro lineal de cerramiento.
Aplicado como una carga superficial uniforme
En viviendas se tomará 1,00 KN/m2
Cualquier carga fija que no entre en los grupos anteriores (empujes
del terreno, maquinaria fija, etc.).
Acciones variables
Se denominan así las cargas que pueden variar en su magnitud o en su duración.
Son más inciertas en su medida que las anteriores y para ello se suelen basar en estimaciones y
cálculos estadísticos intentando siempre estar del lado de la seguridad.
Se clasifican según su procedencia.
La estructura de los edificios
1.3.2.2.1
Sobrecarga de uso
Estimada en un tanto por metro cuadrado que incluye el peso de personas, mobiliario,
electrodomésticos, etc., en función del uso a que se destine cada parte del edificio.
Transcribimos la tabla 3.1 del DB SE-AE en la que se indican los valores exigidos por dicha
norma.
Categoría de uso
Subcategoría de uso
A
B
C
D
Zonas residenciales
Zonas comerciales
Carga
concentrada
(KN/m2)
(KN/m)
A1
Viviendas y zonas de habitaciones en hospitales y hoteles
2
2
A2
Trasteros
3
2
2
2
Zonas administrativas
Zonas de reunión (con
la excepción de las
superficies
pertenecientes a las
categorías A, B y D)
Carga
uniformemente
repartida
C1
Zonas con mesas y sillas
3
4
C2
Zonas con asientos fijos
4
4
C3
Zonas sin obstáculos que impidan el libre movimiento de
las personas como vestíbulos de edificios públicos,
administrativos, hoteles; salas de exposición en museos;
etc.
5
4
C4
Zonas destinadas a gimnasio o actividades físicas
5
7
C5
Zonas de aglomeración (salas de conciertos, estadios,
etc.)
5
4
D1
Locales comerciales
5
4
D2
Supermercados, hipermercados o grandes superficies
5
7
2
10+10
E
Zonas de tráfico y de aparcamiento para vehículos ligeros (peso total < 30KN)
F
Cubiertas transitables accesibles sólo privadamente
1,5
1,5
Cubiertas accesibles
únicamente para
conservación
G1
Cubiertas con inclinación inferior a 20º
1
1,5
G
G2
Cubiertas con inclinación superior a 40º
0
1,5
Tabla 3
19
Introducción
Interpretación de la tabla y puntualizaciones adicionales:
− Para el cálculo general conjunto de la estructura se tendrán en cuenta los datos de la columna
'Carga uniformemente repartida'.
− Además, cada uno de los elementos de la estructura, de forma local e independiente, se
comprobará que es capaz de soportar una carga cuya cuantía será la indicada en la columna
'Carga concentrada' situada en cualquier posición a lo largo y ancho del elemento.
− Como excepción, en el caso de la categoría de uso E, la comprobación local será parecida
pero con 2 cargas de 10 KN separadas entre sí 1,80 m. que se tendrán en cuenta además de
la carga repartida, para simular de alguna forma la distribución de cargas en un vehículo en
circulación.
Figura 2
En la categoría G, cuando tenemos un elemento con una pendiente intermedia entre el 20% y el
40%, el valor de la carga se obtendrá interpolando entre los indicados para las subcategorías G1 y
G2.
− En zonas de evacuación, acceso y circulación comunes en edificios de la categoría A y B, se
2
incrementará la carga uniforme en 1 KN/m .
− Los balcones y terrazas volados se considerarán con el mismo uso que las dependencias desde
las que se accede, añadiéndosele una sobrecarga lineal en el borde de 2 KN/m.
− En las zonas de almacén o biblioteca deberá colocarse una placa indicando con qué sobrecarga
máxima se ha calculado el edificio o planta así como la distribución prevista para la misma.
20