Subido por Camila Molina

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Principios de arquitectura e ingeniería
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ÍNDICE
Presentación
Introducción
Cronología
1.0 Anteproyecto
1.1 ¿Lo qué se desea realizar
1.2 ¿Qué se requiere?
1.3 ¿Qué se puede hacer?
2.0 El proyecto en acero
2.1 El acero
2.2 El proyecto
Decálogo para hacer más economicas las
estructuras de acero
Comentarios adicionales
Elaboración:
Octavio Alvarez Valadez
Carlos Cházaro Rosario
Coordinación Técnica:
Octavio Alvarez Valadez
Diseño Gráfico:
Valeria Giselle Uribe Pérez
Pág. 2
Pág. 3
Pág. 4
Pág. 5
Pág. 5
Pág. 6
Pág. 13
Pág. 16
Pág. 17
Pág. 21
Pág. 46
Pág. 52
PRESENTACIÓN
Este volumen trata sobre los principios de
arquitectura que se utilizan en la estructura
metálica como un sistema estructural, comienza
con un resumen cronológico que contiene la
descripción de algunos materiales y la evolución
científica y tecnológica de los descubrimientos
estructurales en los últimos siglos.
Plantea en forma de pregunta, que para la
concepción de la arquitectura como un espacio
construido será necesario precisar con la mayor
clareza posible, las necesidades funcionales,
cuáles son los componentes estructurales que
serán utilizados y como serán los apoyos de las
condiciones de frontera, a manera de garantizar la
estabilidad del sistema estructural.
Esta preocupación fenomenológica y cualitativa
propia del desarrollo de un proyecto, revela su
potencial creador, aspecto poco común en la
ingeniería estructural y que mucho auxilia al
arquitecto en la concepción de un proyecto donde
la estructura nace junto con la definición formal,
no solo como una opción aleatoria del material
que se utilizará empezando a construir una parte
importante de la definición del conjunto.
El artículo sigue el proyecto estructural tratando
los esfuerzos solicitantes y resistentes: fuerzas
axiales, flexión, cortante, torsión y deformaciones.
Termina hablando sobre el dimensionamiento, las
conexiones, el detalle de la estructura, la
fabricación, el transporte, el montaje y el
mantenimiento.
Este trabajo surge oportunamente, para la
formación de estudiantes en arquitectura e
ingeniería cuyo interés por las estructuras
metálicas va creciendo, y que reclaman el
conocimiento en esta área ya que no existen
suficientes publicaciones especializadas en el
tema del acero.
INTRODUCCIÓN
El acero es sinónimo de arquitectura moderna. En el siglo XX, éste
material inspiró a Arquitectos e Ingenieros, combinando la
resistencia y la eficiencia con oportunidades de expresión
escultural.
Hoy en día, en la era del pluralismo arquitectónico y de innovación
de ingeniería, el acero se encuentra presente en los edificios más
modernos y sofisticados. Esto se debe en cierta parte a la evolución
metalúrgica, al avance en el análisis estructural, a las nuevas
tecnologías en fabricación de estructuras, al montaje y al
desempeño de los componentes constructivos que completan la
estructura.
Las limitaciones técnicas y expresivas del acero son cada vez más
exploradas, generando soluciones estéticas creativas y variadas.
Los perfiles de GERDAU CORSA acompañan la tendencia de
racionalización y de la utilización de la construcción industrializada.
Las conexiones de la estructura se pueden estandarizar y
transformarse en elementos arquitectónicos importantes.
Esta publicación fortalece la visión general de conceptos
constructivos y estructurales en los que generalmente están
basadas las edificaciones.
Pág. 2
Principios de arquitectura e ingenieria
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Pág. 4
Principios de arquitectura e ingenieria
Aluminio
Plástico
Cemento y
concreto Acero
Fierro fundido y
forjado
Tabique
MATERIALES
Computadoras personales (EUA)
Robert Maillart - Losa reticular
Bauhaus (Alemania)
Hardy Cross - Proceso para determinación
de esfuerzos - Estructuras Hiperestáticas
Primer computador (EUA)
Computadoras electrónicas (EUA)
Teoíra de la relatividad (Einstein - Alemania)
Resistencia de los Materiales (Galileo)
Coordenadas cartesianas El Método (René Descartes)
Robert Hooke - Teoria de Elasticidad
Leibnitz - Cálculo diferencial e integral
Principios (Newton)
Abraham Darby descubre el coque para producción
del fierro guza
Motor eléctrico (Faraday - Inglaterra)
Exposición mundial Londres
Elisha Graves Otis - Elevador
Joseph Louis Lambot - Concreto reforzado con Acero
Proceso Bressener (acero)
Henri Laboustre - uso de vigas, arcos y columnas
Comportamiento de los entramados (Da Vinci)
Matemática (India)
Números, álgebra y geometría (Arabia)
CIENCIA Y TECNOLOGÍA
Torre del Banco de China - Hong Kong - 315m
Museo Guggenheim - Bilbao
Torre Sears, Chicago 443m (EUA)
Empire State Building 381m (EUA)
Biblioteca de Santa Genoveva
1er Metro (Londres)
1er Ferrovía transcontinental (EUA)
1er Hidreléctrica (EUA)
1er Puente Pensil Brooklyn (EUA)
Torre Eiffel (Gustave Eiffel - Francia)
Urbanización Moderna (Howard)
Primer puente de hierro en arco - Río Severn
(Inglaterra)
Palacio de Metal - Joseph Praxton (Inglaterra)
Termina la construcción del Taj Mahal
Cúpula de Santa María del Fiore
Cúpula de la Roca - Jerusalén (Islámica)
Gran Mesquita de Córdoba
Catedral de Cartres - Arquitectura Gótica
Arquitectura Islámica y difundida en la India
OBRAS
1997
1988
1980
1974
1953
1946
1931
1930
1919
1912
1910
1905
1899
1889
1883
1882
1869
1863
1856
1856
1855
1853
1851
1821
1775
1709
1687
1677
1660
1653
1637
1564
1500
1452
1425
1215
1154
788
692
600
500
AÑO
CRONOLOGÍA
Santiago Calatrava | Tenerife Concert Hall | Santa Cruz de Tenerife, Islas Canárias | España 1991.
1. EL ANTEPROYECTO
1.1 ¿Lo que se desea realizar?
1.1.1 Satisfacer las necesidades y las posibilidades del cliente
Es imprescindible atender las expectativas del cliente, definiendo la forma y el destino, analizando los costos
dentro de sus posibilidades.
1.1.2 Espacios
Establecer un proceso. Atender un cronograma, para el diseño lógico de los espacios funcionales, observando las condiciones de confort y estética.
1.1.3 Volumen
Límite en el espacio abierto y el contenido. Lo que protege. Lo que muestra. Embalaje.
1.1.4 Estética
La separación y la unión de los espacios y volúmenes determinan la forma. La estructura se conforma a
través de un conjunto de elementos, interrelacionados, caracterizando la sincronía y la satisfacción de los
sentidos.
1.1.5 Material
Es importante considerar en la concepción del proyecto, el material a utilizar para aprovechar las bondades
de éste, así como su factibilidad.
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1.2.2 Cargas
La evaluación de las cargas sobre una estructura es un tema de gran importancia, que depende no solo del diseño
de cada elemento del conjunto, sino también del sistema estructural que será adoptado.
Existen una serie de cargas que actúan en una estructura. En algunas de ellas tenemos libertad de elección y son
evaluadas de acuerdo con las necesidades del proyecto a manera de optimizar los costos.
Cargas muertas
La evaluación de estas cargas está en función de los materiales escogidos.
• Peso propio de la estructura (acero, concreto, madera, etc.)
• Muros (Muros de mampostería, paneles de fachadas, etc.)
• Acabados (pisos, rellenos, impermeabilización, etc.)
• Paisajismo (jardines sobre losas)
• Instalaciones (eléctrica, hidráulica, acústica, equipamiento, etc.)
• Cubiertas (tejas, aislantes, etc.)
Tabla de pesos volumétricos de materiales de construcción
PIEDRAS NATURALES
MATERIALES
Walter Groups, Adolf Meyer y Eduard Werner | Fábrica de hormas para calzado Fagus | Alfeld/Laine | 1910/1914
Areniscas
Basaltos
Granito
Mármol
Pizarras
1.2 ¿Qué se requiere?
1.2.1 Claros
Tepetates
Secos
Saturados
Secos
Saturados
En general un proyecto muchas veces puede tener claros especiales: para el propio montaje, práctica de deportes, paso
de vehículos o equipos, salas de espectáculos.
Tezontles
La relación entre la longitud de los claros y los costos no es lineal. Los claros pequeños pueden llegar a desperdiciar la
resistencia del material y los claros muy grandes pueden ser muy deformables y antieconómicos.
PIEDRAS ARTIFICIALES
Concretos y morteros con agregados de peso normal
Concreto simple
Concreto reforzado
Claro
Principios de arquitectura e ingenieria
PESO VOLUMÉTRICO ton/m3
MÁXIMO
MÍNIMO
MATERIALES
Costos
Pág. 6
PESO VOLUMÉTRICO ton/m3
MÁXIMO
MÍNIMO
2.50
1.80
2.60
2.40
2.60
2.40
2.80
2.50
2.80
2.30
1.60
0.75
1.90
1.30
1.20
0.70
1.60
1.10
Clase I
Clase II
Clase I
Clase II
Mortero de cal y arena
Mortero de cemento y arena
Tabique de barro hecho a mano
Tabique prensado o extruído
Bloque de concreto tipo pesado
Bloque de concreto tipo intermedio
Bloque de concreto tipo ligero
Mampostería de piedras naturales
2.30
2.10
2.40
2.20
1.80
2.10
1.50
2.10
2.10
1.70
1.30
2.50
2.10
1.90
2.20
2.00
1.50
1.90
1.30
1.60
1.90
1.30
0.90
2.10
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TABLA DE PESOS VOLUMÉTRICOS DE
TABLA DE PESOS VOLUMÉTRICOS DE
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
RECUBRIMIENTOS (no incluye material de unión)
MADERAS
PESO VOLUMÉTRICO ton/m3
MÁXIMO
MÍNIMO
MATERIALES
A) Pesadas
Tropicales (chicozapote, pucté, Ramón)
Seca
Saturada
1.30
1.50
0.85
1.00
Azulejos
Mosaico de pasta
Encino Blanco
Seca
Saturada
1.10
1.30
0.65
0.85
Granito o terrazo
Seca
0.95
070
Saturada
Seco
Saturado
1.10
0.75
0.85
0.80
0.45
0.50
Seco
0.75
0.45
Saturado
0.85
0.50
Seco
Saturado
Seco
Saturado
0.65
0.90
0.65
0.75
0.50
0.60
0.40
0.50
B ) Medianas
Tropicales (pelmax, chacohuanate,
aguacalillo, tzalam)
Encino rojo
C) Livianas
Tropicales (maculis, bari, pas’k,
amapola, primavera, haya, alie)
Pino
Oyamel, ciprés, sabino, enebro, pinabete
SUELOS
PESO VOLUMÉTRICO ton/m3
MÁXIMO
MÍNIMO
MATERIALES
Arena o grava
Arcilla típica del Valle de México en
su condición natural
Arcilla seca
Limo suelto húmedo
Limo compacto húmedo
Arcilla con grava
Relleno compacto
Cascajo
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MATERIALES
Principios de arquitectura e ingenieria
Seca, suelta
Seca, compacta
Saturada
Compactada
Seco
Saturado
1.70
1.90
2.00
1.40
1.60
1.80
1.40
1.20
1.20
1.30
1.60
1.70
2.20
2.30
1.60
0.90
1.00
1.30
1.40
1.60
2.00
1.20
20 x 20 cm
30 x 30 cm
40 x 40 cm
Loseta asfáltica o vinílica
Lámina de asbesto
Madera contrachapeada
Tablero de yeso
Tablero de viruta cementada
Cielo raso con malla y yeso
Plafón acústico
Aplanado de cemento
Aplanado de yeso
Enladrillado
5 mm
6 mm
12 mm
38 mm
25 mm
25 mm
25 mm
25 mm
20 mm
PESO POR M2: kg/m2
MÁXIMO
MÍNIMO
15
10
35
25
45
35
55
45
65
55
10
5
15
10
4
2.5
14
11
40
30
60
40
7
4
85
50
50
30
40
30
MUROS (no incluye el peso de los recubrimientos)
PESO POR M2: kg/m2
MÁXIMO
MÍNIMO
MATERIALES
Tabique de barrohecho a mano
Bloque hueco de concreto pesado
Bloque hueco de concreto ligero
Tabique de concreto ligero macizo
Tabique de concreto pesado
Tablaroca (con hoja de 1.25 cm
de yeso ambas caras)
MATERIALES
Vidrio
Yeso
Asfalto
Acero
Aluminio
14 cm
15 cm
15 cm
15 cm
15 cm
240
210
150
250
310
190
190
130
220
280
50
40
PESO VOL.
ton/m3
2.60
1.50
1.30
7.85
2.70
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Observaciones:
1.- Para elementos con área tributaria mayor de 36 m², Wm podrá reducirse, tomando su valor en kN/m² igual a
CARGAS VIVAS
Estas son estipuladas por normas según el uso,
las Normas Técnicas Complementarias sobre criterios y acciones para el diseño estructural de
las edificaciones del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal en la Gaceta Oficial del 2004
utiliza la siguiente tabla para especificar estas cargas. (para su aplicación, referirse a estas Normas).
DESTINO DEL PISO
O CUBIERTA
2
kg/m
CVa
Carga Viva
Instantánea
2
kg/m
CVm
Carga Viva
Máxima
OBSERVACIONES
2
kg/m
a) Habitación (Casas
Habitación, apartamentos,
viviendas, dormitorios, cuartos
de hotel, internados de
escuelas, cuarteles, cárceles,
correccionales, hospitales y
similares).
70
b) Oficinas, despachos
y laboratorios.
100
180
250
c) Aulas.
100
180
250
40
150
350
d) Comunicación para
peatones (Pasillos,
escaleras, rampas, vestíbulos
y pasajes de acceso libre al
público).
2.- Para elementos con área tributaria mayor de 36 m², Wm podrá reducirse, tomando su valor en kN/m² igual a
90
170
1
2
donde A es el área tributaria en m². Cuando sea más desfavorable se considerará en lugar de Wm, una carga de 10 kN (1000
kg) aplicada sobre un área de 500×500 mm en la posición más crítica.
Para sistemas de piso ligero con cubierta rigidizante, definidos como en la nota 1, se considerará en lugar de Wm, cuando sea
más desfavorable, una carga concentrada de 5 kN (500 kg) para el diseño de los elementos de soporte y de 1.5 kN (150 kg)
para el diseño de la cubierta, ubicadas en la posición más desfavorable.
3.- En áreas de comunicación de casas de habitación y edificios de departamentos se considerará la misma carga
viva que en el inciso (a) de la tabla.
3y4
4.- Para el diseño de los pretiles y barandales en escaleras, rampas, pasillos y balcones, se deberá fijar una carga por metro
lineal no menor de 1 kN/m (100 kg/m) actuando al nivel de pasamanos y en la dirección más desfavorable.
5.- En estos casos deberá prestarse particular atención a la revisión de los estados límite de servicio relativos a vibraciones.
e) Estadios y lugares de
reunión sin asientos
individuales.
40
350
450
5
f) Otros lugares de
reunión (Templos, cines,
teatros, gimnasios, salones de
baile, restaurantes, bibliotecas,
aulas, salas de juego, y
similares).
40
250
350
5
0.8CVm
0.9CVm
CVm
6
g) Comercios, fábricas
y bodegas.
6.- Atendiendo al destino del piso se determinará con los criterios de la sección 2.2 la carga unitaria, Wm, que no será inferior
a 3.5 kN/m2 (350 kg /m²) y deberá especificarse en los planos estructurales y en placas colocadas en lugares fácilmente
visibles de la edificación.
7.- Las cargas vivas especificadas para cubiertas y azoteas no incluyen las cargas producidas por tinacos y anuncios, ni las que
se deben a equipos u objetos pesados que puedan apoyarse en o colgarse del techo. Estas cargas deben preverse por separado y especificarse en los planos estructurales.
Adicionalmente, los elementos de las cubiertas y azoteas deberán revisarse con una carga concentrada de 1 kN (100 kg) en
la posición más crítica.
8.- Además, en el fondo de los valles de techos inclinados se considerará una carga debida al granizo de 0.3 kN (30 kg)
por cada metro cuadrado de proyección horizontal del techo que desagüe hacia el valle. Esta carga se considerará como una
acción accidental para fines de revisión de la seguridad y se le aplicarán los factores de carga correspondientes según la
sección 3.4.
h) Cubiertas y azoteas
con pendiente no
mayor de 5%.
15
70
100
4y7
i) Cubiertas y azoteas
con pendiente mayor de
5%, otras cubiertas,
cualquier pendiente.
5
20
40
4, 7, 8 y 9
15
70
300
10.- Más una concentración de 15 kN (1500 kg), en el lugar más desfavorable del miembro estructural de que se trate.
250
La Carga Viva Media se utiliza para revisar el estado límite de servicio, la Carga Viva Instantánea se utiliza para revisar el estado
límite de falla en condiciones de fuerzas accidentales y la Carga Viva Máxima se utiliza para revisar el estado límite de falla
únicamente por fuerzas gravitacionales.
j) Volados en vía
pública (marquesinas,
balcones y similares).
k) Garajes y
estacionamientos (para
automóviles exclusivamente).
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CV
Carga Viva
Media
donde A es el área tributaria en m². Cuando sea más desfavorable se considerará en lugar de Wm, una carga de 5 kN (500
kg) aplicada sobre un área de 500×500 mm en la posición más crítica.
Para sistemas de piso ligeros con cubierta rigidizante, se considerará en lugar de Wm, cuando sea más desfavorable, una carga
concentrada de 2.5 kN (250 kg) para el diseño de los elementos de soporte y de 1 kN (100 kg) para el diseño de la cubierta,
en ambos casos ubicadas en la posición más desfavorable.
Se considerarán sistemas de piso ligero aquéllos formados por tres o más miembros aproximadamente paralelos y separados
entre sí no más de 800 mm y unidos con una cubierta de madera contrachapada, de duelas de madera bien clavadas u otro
material que proporcione una rigidez equivalente.
40
Principios de arquitectura e ingenieria
100
10
9.- Para tomar en cuenta el efecto de granizo, Wm se tomará igual a 1.0 kN/m² (100 kg/m²) y se tratará como una carga
accidental para fines de calcular los factores de carga de acuerdo con lo establecido en la sección 3.4. Esta carga no
es aditiva a la que se menciona en el inciso (i) de la tabla y en la nota 8.
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Pág.11
Cargas accidentales
Estas cargas son el producto de diferentes situaciones de la naturaleza, tales como el viento, el sismo, huracanes, variación de
temperatura, acumulación de residuos, granizo, etc. La revisión de estas condiciones se realiza de acuerdo a las
especificaciones del código vigente de la región.
Cargas dinámicas
Dependen del uso y del tipo de estructura. En el caso de equipos, las cargas deberán ser obtenidas junto con el proveedor.
Para el caso de flujo de vehículos o vibración, se pueden considerar las cargas de utilización por ciertos factores de
amplificación. Para estructuras muy esbeltas, sujetas a la acción del viento, se deberá desarrollar un análisis dinámico de
acuerdo al manual de Comisión Federal de Electricidad CFE.
Para el análisis de cargas dinámicas en puentes grúa, se recomienda usar las especificaciones que para tales efectos propone
el IMCA.
Cargas mínimas
De no ser aplicable ningún reglamento de construcción en la localidad de la obra, las cargas mencionadas anteriormente no
serán menores que las especificadas en el manual de obras civiles de la Comisión Federal de Electricidad CFE.
Foster Associates (arq.) y Ove Arup and Partners (ing.) | Sede de ventas de la Renault | Awindon-Wiltshire- Inglaterra
1.3 ¿Qué se puede hacer?
1.3.1 Normatividad y limitaciones
La arquitectura define la forma, crea el objeto, y tiene limitaciones entre lo natural y lo artificial. Esta creación interfiere en lo
urbano, se convierte en un acto social, y como tal tiene que atender reglas de la sociedad. La estructura también las tiene, sólo
que sus limitantes las otorgan la seguridad y el confort, los cuales son resultado de las experiencias, estudios y observaciones
que a lo largo de la historia de las construcciones se consolidan como reglas.
Existen las Normas Técnicas Complementarias para el Proyecto Arquitectónico, que contienen los requisitos
mínimos necesarios arquitectónicos, ergonómicos y en general de uso de los espacios, que se deberán considerar, pero no
limitan así la creatividad, es prioridad consultarlo antes de comenzar el proyecto.
Los materiales también tienen sus limitantes. Límites de resistencia, limites de servicio (deformaciones, confiabilidad y de
comportamiento estructural).
Combinaciones de Carga Utilizadas en México.
1) 1.4CM + 1.4CVm
en Estructuras Grupo B
2) 1.5CM + 1.5CVm
en Estructuras Grupo A
3) 1.1CM + 1.1Cva ± 1.1Sx ± 0.3Sz
4) 1.1CM + 1.1Cva ± 0.3Sx ± 1.1Sz
5) 1.1CM + 1.1Cva ± 1.1Vx ± 0.3Vz
6) 1.1CM + 1.1Cva ± 0.3Vx ± 1.1Vz
7) 0.9CM – 1.1(S ó V)
Cuando hay efectos de Volteo
8) 1.1CM + 1.1Cva + 1.1G
9) CM + CV
Revisión de Flechas
Donde:
• CM = Carga Muerta
• CVm = Carga Viva máxima
• CV = Carga Viva media
• Cva = Carga Viva accidental
• Sx = Sismo en la dirección X
• Sz = Sismo en la dirección Z
• Vx = Viento en la dirección X
• Vz = Viento en la dirección Z
• G = Granizo
Nota: Estas combinaciones de carga son las más comunes, pero no quiere decir que sean
las únicas que se pueden presentar en una estructura.
Pág. 12
Principios de arquitectura e ingenieria
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Combinaciones de carga utilizadas en E.U.A.
según AISC.
Las combinaciones de carga requeridas por el código son:
Según ASD:
1) D
2) D + L
3) D + 0.75L + 0.75W
4) 0.6D + 0.7E
Según LRFD:
1) 1.4D
2) 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr ó S ó R)
3) 1.2D + 1.6(Lr ó S ó R) + (0.5L ó 0.8W)
4) 1.2D + 1.3W + 0.5L + 0.5(Lr ó S ó R)
5) 1.2D + 1.5E + (0.5L ó 0.2S)
6) 0.9D – (1.3W ó 1.5E) Cuando hay efectos de Volteo
Donde:
• D = Carga Muerta
• L = Carga Viva
• Lr = Carga Viva en Techos
• S = Carga de Nieve
• R = Carga inicial de Agua o lluvia sin incluir encharcamiento
• W = Viento
• E = Sismo
Los códigos de diseño estructural empleados en
México son:
• RC – DF – 2004 Reglamento de construcciones para el D.F.
• NTC – 2004 Normas Técnicas Complementarias para
el Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas.
• IMCA Instituto Mexicano de la Construcción en Acero.
• CFE – 2009 Manual de Diseño de Obras Civiles
(Viento y Sismo).
• NOM Norma Oficial Mexicana de la D.G.N.
(Dirección General de Normas).
• NMX Norma Mexicana.
• ASTM American Society of Test and Materials.
Los Códigos de Diseño Estructural empleados en
E.U.A. son:
• American National of Specification Institute “ANSI”
(avala la calidad de los reglamentos).
• American Society of Civil Engineers “ASCE”.
• American Society of Test and Materials “ASTM”.
• American of Welded Society “AWS-96”.
• Consejo de Investigaciones sobre conexiones estructurales,
surgió después del sismo de Nortich California.
• Especificaciones para Diseño por Factores de Carga y
Resistencia de Uniones Estructurales con Tornillos
ASTM A325 ó A490 en 1988.
• Especificaciones para Diseño por Factores de Carga
y Resistencia de Miembros de Acero Formados en Frío 1996,
American Institute of Steel and Iron “AISI”.
Pág. 14
Principios de arquitectura e ingenieria
• Código de prácticas generales para edificios de Acero y
Puentes. American Institute of Steel Construction “AISC”.
• “UBC-97” Uniform Building Code-96. Es un reglamento que
se utiliza en toda la unión americana, tomando en cuenta todo
tipo de estructuras y regula las solicitaciones.
1.3.2 Materiales
La tecnología se desarrolla en función de los materiales
disponibles en cada localidad. Los materiales tienen
características especiales y diferentes, tales como su
resistencia, su confiabilidad, su elasticidad, etc.
Los materiales naturales, tal como la madera, tienen poca
resistencia a las inclemencias del tiempo, buen
comportamiento y buena respuesta térmica, sin embargo,
existe una gran incertidumbre en cuanto a la homogeneidad
de sus características de trabajo mecánico, que se puede
alterar a lo largo de una misma pieza en relación a las fibras
que constituyen el material. Debido a esto será necesario
utilizar factores de seguridad
más amplios y
sobredimensionar las conexiones para que éstas soporten
los esfuerzos a los que estarán sometidos.
El concreto armado es una roca artificial compuesta por
cemento, arena, grava, agua y barras de acero (varillas),
usualmente colado “In situ”. Debe existir un control de la
mezcla, la ejecución y el curado de este material para
garantizar que su resistencia nominal será la adecuada.
Tiene buena confiabilidad, con coeficientes de seguridad
menores que el de la madera. Este material no es reciclable.
El acero es un material desarrollado a partir de aleaciones
producidas industrialmente bajo un control muy rígido. Tiene
óptimas condiciones mecánicas debido al control que se
tiene, se garantiza que su comportamiento es homogéneo a
lo largo de un elemento, alta resistencia y buen
comportamiento. Los coeficientes de seguridad son muy
bajos y aseguran la optimización en el uso del material. Es
100% reciclable.
1.3.3 Costos
Una solución puede ser técnicamente adecuada, pero puede
presentar un alto costo de ejecución. Los costos dependen
del mercado de los materiales y de la oferta en la mano de
obra. Las soluciones más económicas pueden variar
dependiendo del lugar y de su situación económica, del
destino de la obra y su tiempo de ejecución. Ver artículo
técnico ¿Cuándo construir en acero? de GERDAU
CORSA.
De este modo, para escoger una buena alternativa
estructural, es necesario balancear estos parámetros. Una
estructura más ligera puede tener un alto costo de mano de
obra. El costo de mano de obra sobre las piezas
industrializadas tiene una sensible reducción debido a la
repetición de piezas.
1.3.4 Ejecución
Definir la metodología, el dimensionamiento de los elementos y la experiencia de los profesionales que trabajan en equipo para
la ejecución de las obras, es algo que depende de la ubicación, presupuesto y tiempo disponible. Esto puede ser el resultado
del proyecto estructural y los materiales adoptados.
CARACTERÍSTICAS
MADERA
CONCRETO
ACERO
ACERO INOX
ALUMÍNIO
Resistencia a
agresiones climáticas
media
buena
media
media
óptima
Confiabilidad
del material
mala
buena
óptima
óptima
óptima
Disponibilidad
media
óptima
óptima
buena
buena
Rapidez de ejecución
buena
media
óptima
óptima
óptima
kg/m³
600 a 1,200
2,400
7,854
7,920
2,770
Resistencia
kgf/cm²
130
400
3,450
2,800
3,200
Módulo
de elasticidad
kgf/cm²
165,000
250,000
2,039,000
19,300,000
700,000
3 x 10-6
10
11.7
17.3
22.5
Densidad
Coeficiente
de dilatación
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2.1 El acero
2. EL PROYECTO EN ACERO
2.1.1 Descripción del material
El hierro se encuentra en la naturaleza generalmente en forma de óxidos. Ver artículo "ELECCION DEL TIPO DE ACERO PARA ESTRUCTURAS" de Gerdau
Corsa
El mineral de hierro, el coque y los fundentes son las materias primas del proceso de reducción del hierro. Su refino ocurre en
la acería, donde la adición de Cobre (Cu), Níquel (Ni), Cromo (Cr), entre otros elementos de aleación le proporcionan a los
aceros diferentes propiedades mecánicas.
Carbón
Metalúrgico
Coqueria
Benzeno
Tolueno
Xileno
Naftaleno
Amonia
Anidra
Otros
Colada
Contínua
Mineral
de Hierro
Sinterización
Fundentes
Alto-Horno
Desulfuración
Convertidor LD
Horno-Cuchara
RH
Estación de
Argón
El control del contenido de carbono en la composición química, permite la obtención de una gran variedad de tipos de acero,
que se diferencian en cuanto a su dureza, resistencia mecánica, ductilidad y resistencia a la corrosión.
Como resultado de este proceso obtenemos uno de los materiales de mayor resistencia y menor deformabilidad entre los
materiales de uso estructural.
La resistencia del acero al carbono se debe primordialmente al contenido de carbono y Manganeso (Mn)
por ejemplo ASTM A992.
El acero de baja aleación y alta resitencia es aquel que cuando se la añaden elementos químicos como el Niobio (Nb), Vanadio
(V), Titanio (Ti) entre otros promueven grandes propiedades mecánicas por ejemplo ASTM A572 – 50.
La adición de Cobre (Cu), Níquel (Ni), Cromo (Cr) entre otros elementos químicos crean un grupo conocido como aceros
patinables, que tienen mayor resistencia frente a la corrosión atmosférica, en condiciones específicas, cuando desarrolla un
patinado aparente por ejemplo ASTM A588.
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2.1.2 Sustentabilidad
2.1.3 Perfiles de acero laminados en caliente
“El desarrollo sustentable significa atender las
necesidades del presente, sin comprometer la
capacidad de las generaciones futuras para atender sus
propias necesidades” (World Comission on Environment
Development WCED 1987).
Los perfiles I, CE, LI, LD, SOL, OS, CS, son perfiles laminados en caliente obtenidos por los procesos de producción antes
mencionados, los perfiles de GERDAU CORSA siguen las normas ASTM A6/A 6M y existe una gran variedad de medidas
(Tablas de Dimensiones y Propiedades de GERDAU CORSA).
Todas las construcciones, impactan en el medio,
consumiendo energía, recursos naturales, agua tratada
y aumentando la contaminación.
Para los arquitectos, ingenieros, empresarios y
constructores es importante estudiar las consecuencias
de sus proyectos a largo plazo:
• Haciendo buenos proyectos arquitectónicos
• Optimizando el uso de la energía
• Utilizando materiales reciclables
• Incentivando nuevas tecnologías
• Disminuyendo los desperdicios
• Innovando
Un asunto que se descuida mucho, es el
reaprovechamiento de las construcciones después de
los 50 años de vida prevista.
En las construcciones que se desarrollan en acero las
opciones son:
• Reestructurar la construcción en lugar de demolerla
• Desmontar y reutilizar los componentes
• Desmontar, reciclando el material
Acero, una elección natural de sustentabilidad.
2.1.4 Soluciones especiales
• Es uno de los materiales más abundantes en la tierra
• La energía consumida es co-generada
• El proceso de producción es controlado
y no contamina la atmosfera
• Consume 41% menos agua en su proceso
a diferencia que el concreto
• Todos los componentes que se generan
en la producción son aprovechados
• La fabricación de estructuras elimina los desperdicios
en la obra, ya que el proceso es industrializado
• El menor peso de las estructuras de acero permite que
las cimentaciones sean de menores dimensiones,
disminuyendo el impacto de las mismas en el suelo
• La rapidez en el montaje, reduce el impacto en la
comunidad local
• Permite librar grandes claros, fachadas y cubiertas que
facilitan la utilización de la energía solar
• Sus desperdicios tienen un alto valor agregado
• El proceso de reciclado es simple y eficiente
En ocasiones en los perfiles se pueden desarrollar agujeros, sin embargo es necesario que sean compatibles con la sección
de las vigas. Cuando no existe una solución para situaciones muy particulares, es ideal que se opte por perfiles castelados,
vigas Vierendel ó perfiles celulares.
El acero es 100% reciclable.
La mitad de la producción del acero anual es reciclada.
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Su razón de ser es que aumenta las inercias, optimizando claros y reduciendo el peso de las estructuras, además de ser útiles
para el paso de conexiones.
Es solo una etapa,
Que sigue la intensión de la forma,
Que sigue la elección del proyecto,
Que sigue el concepto.
Perfiles Castelados
2.2 El proyecto
2.2.1 El nacimiento del proyecto
Vigas Vierendel y Perfilles Celulares
Es importante que en el proyecto de la estructura en acero ya
comience a ser pensado con el concepto del material: el objeto
formado por el diseño de las formas, las líneas, la permeabilidad
de la mirada, la retícula y la clareza en la intensión de los detalles.
La estandarización de piezas es un concepto muy importante,
pues como todo sistema industrializado es repetitivo, reduce los
costos.
Decidir si la estructura es aparente o revestida, hace que el
arquitecto piense en los pros y contras de cada opción. La
estructura aparente puede mostrar la plasticidad del acero, sin
embargo demandará protección del mismo (contra corrosión y
fuego). En la estructura revestida el acero cumple su papel de
esqueleto y minimiza los costos de protección.
2.2.2 Ventajas del uso del acero
Pretensado
Es la técnica de introducir un elemento estructural, con un esfuerzo controlado, con características contrarias a los esfuerzos
a los que estará sometido en su condición de trabajo, compensando su situación crítica.
El pretensado es hecho a través de cables de acero, similares a las barras, externa e internamente, pretensados por malacates
(grandes cargas), estirados (pequeñas cargas) o por las propias cargas actuantes, como el caso del vagonamiento.
Viga Vagonada
Viga Pretensada
• Organización de la obra de construcción
• Reducción en la cimentaciones
• Claros libres mayores
• Racionalización del material y de la mano de obra
• Menor plazo de ejecución
• Retorno financiero más rápido
• Facilidad de montaje y desmontaje
• Optimización de ampliaciones
• Compatibilidad con otros sistemas constructivos
una buena nivelación, puede eliminar la necesidad de
revestimientos y permite el trabajo en conjunto con las vigas
metálicas (vigas de sección compuesta).
Para el cierre de la obra, los paneles metálicos y de yeso
acartonado (tablaroca) permiten rapidez en su instalación,
fácil instalación de tuberías, buena calidad en los acabados y
adaptación de lay-outs.
Los paneles de fachadas permiten mejor previsión de los
detalles en la interacción con la estructura y los marcos y en
la estandarización de los acabados.
También existen baños prefabricados agilizan el montaje y
minimizan los problemas de acabados, instalaciones,
impermeabilización y en referencia con las tuberías flexibles
elimina los problemas con las conexiones.
La composición de estos elementos proporciona mucho más
rapidez en la conclusión de una obra y el retorno financiero
más rápido.
2.2.4 Fachadas
Las fachadas pueden ser de paneles prefabricados, piedras
naturales como el mármol, placas, albañilería vinculada o no
a la estructura.
2.2.3 Construcción industrializada
2.2.5 Cubiertas
En la construcción que contiene elementos prefabricados
que son hechos en industrias especializadas que garantizan
la calidad de los componentes, transforman la construcción
en un lugar de montaje.
Gran parte del confort térmico y acústico de la obra, está
ligado al proyecto de la cubierta.
Pensando en una obra como el conjunto de un todo, la
racionalización de materiales y mano de obra, la agilidad en
la ejecución con una planeación bien desarrollada en la
logística y bajísimos índices de desperdicios, son ventajas
importantes ofrecidas por la construcción industrializada.
La respiración de una cubierta en el caso de construcción
industrial se hace por linternillas, ventiladores estáticos o
ventiladores dinámicos. La pendiente económica se
considera entre 12 y13%. En la medida de lo posible deberá
dejarse entrada de aire frío por la parte mas baja del edificio
y salida del aire caliente por la parte mas alta del mismo, para
aprovechar la fuerza asensorial del aire caliente.
La estructura es una parte importante de la obra, que se
completa con los paneles de fachadas, paneles internos,
instalaciones, equipamiento, marcos, etc.
Más allá de las alternativas formales, las pequeñas aberturas
junto a las fachadas permiten la salida del aire sin el riesgo
de que exista infiltración.
ASTM A 36
El uso de losas prefabricadas, losas pretensadas, losacero
(steel deck), pueden prescindir de apuntalamiento, permiten
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El calentamiento del techo, más allá de las recomendaciones
en función del tipo de piso, debe tomar en cuenta el tamaño
de las pendientes de la cubierta.
El canalón puede ser predimensionado con alguna fórmula
empírica: para cada 10m² de cubierta, el canalón será de 15
cm².
Para los tubos de las bajadas de agua pluvial el área será de
1cm² para cada m² de agua drenada.
recubrimiento y acabado, correctamente especificados
retardan y evitan el proceso de corrosión.
Un programa de mantenimiento consistente permite que las
estructuras se encuentren en perfecto estado.
2.2.7 Tratamiento de superficie y
revestimientos
Antes de recibir cualquier sistema de protección, el acero
debe pasar por una limpieza que remueva de su superficie
aceites, grasas, polvos, oxidación suelta y cascarilla.
Lámina de Acero para Cubiertas
Vigas compuestas
Es la asociación de una parte de la losa y el patín superior de la viga de acero
Habrá un sensible aumento en la capacidad de la viga, y naturalmente una reducción en las deformaciones, que resulta en un
ahorro de peso en las vigas de acero hasta en un 30%.
De la misma manera, esta viga estará soportada lateralmente en la parte comprimida, lo que impedirá su pérdida de estabilidad.
La vinculación entre la losa de concreto y la viga es hecha con conectores, piezas metálicas soldadas al patín superior con un
espaciamiento pequeño (del orden de 20 a 50 cm), que impiden el desplazamiento del concreto en relación al acero,
obligándolos a trabajar en conjunto.
Normalmente esta limpieza es hecha por un chorro abrasivo
(arenilla y arena) o por un proceso manual. Los principales
tipos de revestimiento son:
•
Contra la corrosión: pintura y galvanización
•
Contra fuego: materiales proyectados, placas de
yeso acartonado, pintura intumescente.
2.2.8 Estructuras compuestas
Es la asociación de acero con concreto como se obtiene una
pieza compuesta, con las mejores características mecánicas
de cada uno de los materiales. En el caso de acero es muy
resistente a los esfuerzos de tensión, caso contrario con el
concreto el cual tienen mejor comportamiento a la
compresión.
Cubiertas Termoacústicas
Lámina Superior
Espuma de poliuretano,
poli-isocianurato o
lana mineral.
Lámina Inferior
m e la
.00 do d del
4
0 a ien ión e
2.0 pend ificac icant
de pec fabr
es
2.2.6 Corrosión
Todos los metales y aleaciones utilizados en las estructuras
son susceptibles a la corrosión. La intensidad de este ataque
depende, entre otros, de las condiciones ambientales y de la
composición química de la aleación.
tw
tf
Cumplen etapas diferentes a lo largo de su proceso de
consolidación.
El acero tiene desde su producción, forma y resistencia
definidas, esto no ocurre con el concreto, este depende del
proceso de curado para que su forma y resistencia estén
bien definidas. Su capacidad también depende del armado,
tanto para aumentar su resistencia como para disminuir la
propagación de grietas.
El proyecto de estructuras compuestas debe, por lo tanto, ser
elaborado considerando 3 fases:
1.
Montaje y lanzamiento del concreto = situación en
que el acero trabaja por sí solo, antes del curado del
concreto, siendo el responsable por el peso propio de la
estructura y las cargas de la obra.
2.
Resistencia de la estructura compuesta = situación
en las que trabajan en conjunto el acero y el concreto.
3.
Deformación de la estructura compuesta para las
cargas de larga duración = situación en la que se lleva en
contra el efecto de la perdida de la elasticidad del concreto a
lo largo del tiempo.
bf
Columnas compuestas
Son piezas compuestas que buscan aprovechar la capacidad del concreto en compresión asociada a la capacidad y esbeltez
del acero. Este trabajo es garantizado por la utilización de conectores que eliminan el deslizamiento en las superficies de
contacto.
Una de las ventajas de utilizar columnas compuestas es proporcionar la protección contra fuego.
La corrosión atmosférica de los aceros al carbono es un
proceso electroquímico que depende básicamente de tres
parámetros: agua, oxigeno y corriente eléctrica, que fluye de
la liberación de electrones. Consultar artículo de Gerdau
Corsa: “Principios de Protección de Corrosión y Fuego”
La limpieza de la superficie, la aplicación de pinturas de
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Conexiones compuestas
Ventilación
En el planteamiento de la ventilación se debe considerar el aprovechamiento máximo de los vientos predominantes.
La necesidad del armado en las losas de concreto, permite la posibilidad de otros tipos de asociación acero – concreto, como
en conexiones compuestas.
En este tipo de conexión la losa participa en la transmisión de los esfuerzos de los momentos flectores de las vigas,
permitiendo la continuidad sobre los apoyos. En este caso el armado de la losa es reforzada, a manera de absorber las
tensiones.
El aire se mueve por el cambio de presión y las diferencias de temperatura. Un estudio sobre las aberturas de entrada de aire
y espacios de salida, son los obstáculos que permiten dirigir la ventilación para el interior de la construcción.
La ventilación puede ocurrir:
• Naturalmente por ventanas, persianas (luvers) o linternas
• Naturalmente por convección de vitrinas eólicas
• Artificialmente por convección directa como ventiladores
• Artificialmente por radiadores alimentados en sistemas de fachadas
• Artificialmente por ductos de aire acondicionado
Confort térmico
El confort térmico depende de la renovación del aire.
Una combinación de materiales aislantes adoptados en los elementos de ventilación con materiales permeables en el sistema
de ventilación permite la circulación natural del aire.
También son muy útiles los sistemas de brisas o tratar de sombrear en áreas con gran insolación.
2.2.9 Otros
Iluminación
La mayoría de las actividades requieren iluminación, que puede ser natural o artificial. La iluminación natural puede venir
directamente del sol y entra por las aberturas de las superficies del edificio. Elementos como niveles del calor, sombras,
reflexión y colores resultantes, se tienen que analizar.
En el caso de que la iluminación no sea suficiente, o que en la atención al programa se creen espacios que busquen otras
soluciones (galerías internas, salas de distribución o en espacios muy grandes) es posible buscar superficies iluminantes en las
cubiertas, se sustituye parte del material opaco por material traslucido, o adoptando lucernarios, linternas, dientes de sierra, etc.
La iluminación artificial produce energía térmica, normalmente, incandescente o fluorescente, combinando la luz y el calor
radiante.
Complementos
Así como los puntos que ya se trataron, otros elementos constantes en una edificación tendrán interacción con la estructura.
Tuberías hidráulicas, ductos de ventilación, conductores eléctricos, elementos de automatización, iluminación, protección de
incendio entre otros, van a precisar la sustentabilidad, el espacio para caminar y el acceso para el mantenimiento.
Todo en el mismo lugar entre el volumen y el espacio arquitectónico, entre lo oculto y la estética.
La mejor solución es la coordinación entre los proyectos complementarios. La elección conjunta del paso de tuberías, posición
de los puntos de iluminación de acceso, deben llevar una solución armónica con la estructura.
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2.3 Proyecto estructural
Cubiertas o láminas (planos)
2.3.1 Tipología estructural
Elementos con dos dimensiones que son mayores a la
tercera (espesor). Su función es recibir las cargas,
llevándolas a las barras, ó directamente a los apoyos.
Son las losas, placas, cascarones, muros, membranas.
Su nomenclatura depende de la manera en que se
comportan en situaciones de trabajo.
Elementos estructurales
Como la geometría, la estructura parte de algunos
elementos básicos, cuya combinación ordenada genera
sistemas.
Cascarón
Losas: son láminas con forma fija, de razonable espesor,
pueden ser ejecutadas horizontalmente, soportan cargas
normales o cargas de flexión.
Su analogía es tal, que usamos los elementos
geométricos en la representación gráfica de los
elementos estructurales.
Bóveda
Cascarones: son láminas con forma fija, con poco
espesor, tienen su rigidez asociada a la curvatura,
trabajan en flexión y fuerzas de tensión y compresión en
su plano.
Nudo o nodo (punto)
El nudo se define como, el inicio, la intersección de
elementos o barras, la fijación de las cargas. Lugar donde
los esfuerzos que provienen de un elemento del sistema
son trasmitidos a otro, liberando o no parte de los
desplazamientos.
Membranas: son láminas sin forma fija, de espesor
extremadamente pequeño, adquiere la forma que
solicite, y trabaja bajo fuerzas de tensión.
Elementos o barras (planos)
2.3.2 Sistemas estructurales
Su función es llevar las cargas que recibe de un nodo a otro. Se dimensionan de acuerdo a la sección más adecuada de
acuerdo al tipo de esfuerzo que recibe, el material y las dimensiones para soportar dentro de los límites posibles la
deformación.
La asociación de elementos estructurales compone
un sistema que generalmente define el aspecto
espacial del edificio como un todo. Estos sistemas
pueden ser categorizados como:
Su capacidad tiende a ser mayor en cuanto menor sea su pérdida de estabilidad.
Sistemas de marcos
Elemento cuya dimensión es mucho mayor que las de la sección transversal.
Membrana
Es un sistema formado por barras capaces de crear
un esqueleto resistente a las cargas puntuales o
lineales, permitiendo incorporación de grandes
claros.
Estos marcos son montados paralelamente y
espaciado conforme a las necesidades del proyecto.
Cuando se estandarizan los espaciamientos la
fabricación y el montaje se simplifican y por
consiguiente se reducen los costos. El sistema de
marcos tiene una gran resistencia en su plano de
trabajo, sin embargo, depende de la condición de la
estabilidad fuera del plano. Esta condición es
obtenida a través de la disposición de sistemas
perpendiculares a él, que le den arriostramiento en
los puntos necesarios. Por ejemplo, armaduras o
cerchas, arcos, pórticos, rejillas, asociación de vigas y
columnas, y anclajes.
bf
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z
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Armaduras o cerchas
Son piezas formadas por barras de pequeñas secciones, apoyadas unas a las otras formando un sistema reticulado.
Las piezas únicamente trabajan a tensión y compresión desde que las cargas son aplicadas a los nodos.
Conexión de tirantes a largueros
Composición de cerchas
Arcos
Son sistemas estructurales que vencen grandes claros y sufren compresiones simples, generando esfuerzos horizontales
(empujes) en los apoyos que están en función de las deformaciones del arco.
Los arcos tienen una relación mínima entre el claro y la flecha para que se comporten como tales.
El arco se comporta como una viga de eje curvo.
Esfuerzos en armaduras
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Ejemplos de estructuras en arco
Arco como elemento portante de un tablero de un puente
Pórticos
Son estructuras formadas que componen un marco plano con acciones en este mismo plano. Su rigidez y estabilidad se
concentran en los nodos, los tipos de vínculos de los nodos de un pórtico alteran su comportamiento y transmiten los esfuerzos
a los apoyos.
Carga
vertical
East London River Crossing | Santiago Calatrava | 1990
Combinación de arcos en una disposición espacial, transmitiendo los esfuerzos horizontales para anillos superiores de
compresión e inferiores de tensión.
Marco con
todos los nudos
articulados
Pórtico
empotrado
Carga
horizontal
Es necesario un sistema
de contraventeo (triangular)
Carga y deformación
Diagrama de momentos
flexionantes
Transmisión de momento
a la cimentación
Pórtico
articulado
en la base
No transmite momento
a la cimentación
Articulación
Pórtico
triarticulado
Vahrhunder Thalle - Vratislavia | Max Berg | 1911 - 1913
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La estabilidad es garantizada
por la rigidez del nudo
El momento es nulo en el punto de la articulación_
Punto ideal para uniones y conexiones
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Sistema de planos
Son sistemas formados por muros o diafragmas, con función de soporte de carga y fachadas simultáneamente.
Soportan en general cargas uniformemente distribuidas y no aceptan fácilmente grandes aberturas. Por ejemplo losas, muros,
placas y cúpulas.
Anclajes y tirantes
Son estructuras que trabajan solamente a
esfuerzos axiales y compresión (anclajes) o
tensión (tirantes). El equilibrio de los esfuerzos
toma la forma de la geometría de la estructura
a base de triangulaciones.
dp
dt
dl
Tirantes
Anclajes
Ejemplo de estructuras atirantadas
Depende de la rigidez
de las barras y de los nudos
Depende de la rigidez
de las barras
Depende del
espesor del muro
o diafragma
En la construcción de edificios, los sistemas de circulación vertical, torres de elevador y escaleras, son elementos tubulares,
con pisos transversales (losas de escalera) o anillos de cierre (elevadores), que pueden ser utilizados como núcleos rígidos
absorbiendo esfuerzos horizontales y dando estabilidad a los demás elementos de la edificación.
La asociación de elementos rígidos y otros elementos articulados, permite que las conexiones sean más económicas, que
tienen una función específica de soporte de carga y no de estabilidad.
Con esta misma función pueden ser utilizadas las fachadas, cuando la trama de las vigas, las diagonales y las columnas crean
una distribución tubular periférica.
Los edificios extremadamente altos pueden controlar las oscilaciones debido a los esfuerzos de viento, con la utilización de una
masa oscilatoria que, funcionando como péndulo, restaura su equilibrio.
Alamillo Bridge | Santiago Calatrava | 1987 - 1992
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Fachada en malla ortogonal compuesta por columnas y vigas
Fachada en enrejado compuesta por diagonales asociadas y malla de vigas y columnas.
Fachada en rejilla diagonal con barras inclinadas y sin columnas formando un tubo enrejado.
Fachada por varios tubos yuxtapuestos componiendo un sistema celular. Existe la posibilidad de variación de alturas en los núcleos
de las células acompañando la volumetría de la arquitectura.
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Sistemas tridimensionales
Son sistemas en que los nudos son vértices y las barras son aristas de un sólido geométrico.
En estos sistemas, las barras únicamente trabajan bajo fuerzas axiales, y se ajustan a la función
de equilibrar estos esfuerzos. Por ejemplo geodésicas y estructuras espaciales.
Fachadas que utilizan enrejado superior en los niveles intermedios, reduciendo
sensiblemente las deformaciones ocasionadas por los esfuerzos de viento en
edificios altos.
Las columnas extremas trabajan como barras en tensión y compresión opuestas al del sistema central, creando una especie
de compensación que invierte los esfuerzos del enrejado.
Icosaedro
•12 vértices
•30 aristas
•20 caras
•Radio de la esfera que toca
todas las caras 0.9342
•Radio de la esfera que toca
todos los vértices 1.1756
•Radio de la esfera que toca
el centro de todas las aristas
Cara
Sistema de membranas
Son sistemas formados por membranas
asociadas a cables y elementos rígidos,
como tirantes o anillos de compresión.
Son extremadamente ligeros, permitiendo
vencer grandes claros, sin embargo solicitan
grandes esfuerzos de tensión en sus puntos
de anclaje. Por ejemplo tenso-estructuras.
Vértice
Arista = 1.236 x 1
Frei Otto | Carpa Olímpica | Münich
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2.3.3 Esfuerzos solicitantes y resistentes
Los trabajos realizados por las piezas estructurales, sobre el efecto de las acciones solicitantes (cargas) son:
Cortante
Son los esfuerzos tangenciales a la sección de los elementos resistidos por el alma de la sección,
tienden a cortar “rebanadas” de elemento.
Axiales
Son esfuerzos a lo largo del eje de las barras, pueden ser de tensión o de compresión.
En tensión los esfuerzos son resistidos por el área de la sección, en la que se descuentan agujeros en el caso
de conexiones atornilladas. En compresión, así como el área, es importante la forma del perfil, la esbeltez de la
barra, ya que está vinculado el pandeo, estado crítico a partir del cual la pieza pierde capacidad de utilización.
Esos son los tipos de esfuerzos que solicitan las barras de un enrejado, tirantes, anclajes y columnas.
Torsión
Es la solicitación que tiende a girar rebanadas de la sección de la barra en torno de su eje
longitudinal, ocurre cuando la carga actúa fuera del eje de la barra, haciendo que ocurran las
tensiones de cortante, que se deben equilibrar.
Flexión
Son los esfuerzos perpendiculares a la sección de las barras, que son resistidos por el módulo de sección.
Tienden a girar la sección de la barra, en torno al eje, denominado eje neutro, que divide las áreas en tensión
y compresión. En el caso de la flexión la forma de la sección es extremadamente importante, pues su trabajo
equivale al de un par de fuerzas (doble palanca), siendo su resistencia mayor, cuando más alejada esté el eje
neutro, centroide o centro de gravedad de las áreas tensionadas y comprimidas.
Deformaciones
Son parte del trabajo de la estructura.
Una pieza estructural requiere deformarse para entrar en función, esas deformaciones tienen
límites para que no se tornen incomodas o inadecuadas para su uso.
Las normas limitan las deformaciones bajo cargas accidentales, considerando que para las cargas
permanentes pueden ser adoptadas con contra flechas, esto es, pueden recibir una deformación
previa que compense las deformaciones que son ocasionadas por las cargas permanentes.
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2.3.4 Formas de las secciones
2.3.5 Aspectos conceptuales
Cada una de las barras de un sistema estructural tiene una función específica, como un equipo, en el que cada uno tiene
características especiales para la función que ejerce. La sección de una pieza debe tener la forma más apropiada al tipo de
esfuerzo al que estará sometido.
Una obra bien concebida es económica y es un reflejo del proyecto arquitectónico, respetando el material, adoptando espacios
estandarizados y compatibles a su uso, optimizando las piezas, alineando los cierres y viabilizando el transporte y el montaje.
Piezas sujetas a tensión: pueden ser esbeltas, esto es, tienen una masa concentrada en torno a su eje. Su capacidad
depende apenas del área de la sección.
Por otro lado, buenos diseños estructurales aislados, no garantizan la calidad de la obra. Es importante la compatibilización de
todos estos aspectos, para el suceso del proyecto.
Piezas sujetas a compresión: Tienen un trabajo similar al de las piezas tensionadas, pero corren el riesgo “de huir de la
línea de presión”. A este fenómeno se le da el nombre de pandeo, el cual puede ser resuelto disminuyendo la esbeltez de la
pieza, esto es, la relación entre lo que se comprime (L) y la distribución de la masa en relación a su eje (r = radio de giro). Por
ejemplo perfiles H.
2.3.6 Predimensionamiento
Es un estudio de conjunto analizando:
· Relación entre claros y alturas
· Verificación de las tensiones de trabajo de las piezas sobre los esfuerzos solicitantes
· Verificación de las deformaciones
· Verificación de las condiciones de anclaje y estabilidad de piezas
En cualquier construcción a pesar de que las cargas de utilización sean las mismas, va a depender de los claros y de los
espaciamientos de las vigas.
Piezas bajo el efecto de torsión:
tienen su capacidad resistente en el área de la sección de la pieza.
Piezas bajo el efecto de corte: tienen su capacidad resistente ligada al área de la
sección de la pieza, y frecuentemente están asociados a otro tipo de solicitación.
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2.3.7 Dimensionamiento
2.3.8 Conexiones
Es el cálculo riguroso de las piezas estructurales de acuerdo con la jerarquía estructural, esto es, de acuerdo a la bajada de las cargas.
A través de las conexiones logramos que las piezas de la estructura trabajen como un todo.
Las conexiones entre perfiles pueden ser atornilladas o soldadas.
Las conexiones atornilladas pueden ser premontadas en un taller, permitiendo mayor precisión y mejor calidad en el montaje,
pueden verificarse con torquimetros o por tornillos de tensión controlada y presenten una mejor apariencia.
Cuando las conexiones soldadas son ejecutadas en el taller tienen más control en la ejecución permitiendo una garantía en su
calidad. Las conexiones hechas en obra deben ser inspeccionadas para garantizar su calidad. La soldadura es de gran
responsabilidad (sobretodo en las conexiones). Son menos visibles dando una apariencia de continuidad de las piezas y
requieren de mano de obra especializada.
Es posible usar soldadura y tornillos en una misma conexión, más nunca en la misma función.
Páneles
Conexión a momento
con placa y atiezador
Vigas Secundárias
Conexión a momento soldada
empalme con placas atornillada
Vigas Principales
Columnas
Cimentación
Conexión a cortante
(articulada)
Conexión a momento
soldada en los patines
y atornillada en el alma
Un aspecto importante en relación a las cargas, es la manera en que se transmiten de una pieza a otra, de acuerdo a la bajada de
cargas hasta la cimentación. Como los pases de los jugadores hasta que logran el gol. Un buen pase permite que el jugador desarrolle
plenamente sus potencialidades, un mal pase lo obliga a buscar su propio equilibrio antes de dar continuidad a la jugada.
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2.3.9 Detallado o ingeniería básica
Es compuesto por:
• Plantas y elevaciones, con la especificación de las dimensiones de los perfiles usados y la geometría de varios
planos del proyecto
• Detalles de conexiones que definen el esquema estructural
• Estudio de las interfaces e interferencias
• Identificación de la utilización
• Especificación de la metodología ejecutiva de la obra
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Decálogo para hacer más económicas
las estructuras de acero
Basado en un artículo escrito por el Ing. Fernando Frías Beltrán, Presidente del Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, A.C.
El costo de la estructura de acero de una construcción se
compone de cuatro partes principales: el de los materiales,
de la fabricación, del transporte y del montaje. Podría
incluirse también el costo de protección contra el fuego, la
corrosión o intemperie, pero este aspecto frecuentemente
esta fuera del control directo del diseñador, mientras que los
cuatro primeros dependen primordialmente de las decisiones
que toma éste cuando hace su diseño. Las siguientes
recomendaciones permiten lograr importantes economías en
el costo de las estructuras sin afectar el criterio de diseño, ya
que se aplican a factores externos al propio diseño, como
son condiciones de mercado, aprovechamiento
de
materiales, tamaño de componentes, tipos de conexión,
procedimientos de fabricación y otros factores similares.
Materiales
El precio del acero se fija en el mercado por la oferta y la
demanda, pero aún así el diseñador tiene influencia en el
costo de las materias primas. En las estructuras intervienen
dos tipos principales de materiales: los planos y los perfiles.
Para prácticamente cualquier estructura, los materiales de
que dispone el diseñador son placas, vigas laminadas,
ángulos, canales, redondos y tubulares. Una de las primeras
decisiones que el diseñador tiene que tomar, es si va a usar
perfiles laminados, perfiles de placas soldadas o armaduras.
Muchas veces la propia naturaleza de la estructura
determinará el tipo de diseño, como por ejemplo una torre de
transmisión, un hangar o una nave industrial, pero tratándose
de edificios y puentes, el diseñador tiene mayor número de
alternativas de donde escoger. Los precios de los perfiles
laminados y de los planos varían independientemente unos
de otros. Hay épocas en que el precio de los aceros planos
es más bajo que el de los perfiles y otras en que es al revés.
Si el diseñador está al tanto de estas variaciones, puede
escoger el tipo de diseño más económico del momento.
Cosa extraña es que muchos diseñadores no está enterados
de que todos los perfiles estructurales IR (W), desde hace
mas de 10 años están hechos de acero, que primero se llamó
tipo “dual” y que ahora se llama A992 Grado 50, o es de otro
acero que satisface igual las normas de los aceros A36 y los
de Grado 50. Hoy algunos fabricantes suministran sus
perfiles angulares y canales también en acero de alta
resistencia al mismo precio del acero A36.
Para que el diseñador pueda mantenerse al corriente de la
situación del mercado de materiales, precios, disponibilidad,
etc., y escoger la solución estructural más adecuada a los
materiales disponibles. La primera regla del Decálogo es
consultar con fabricantes de estructuras o
distribuidores de materiales de su confianza, antes
de comenzar el diseño, para conocer cuál es la
situación del mercado del acero en ese momento.
Para el diseño de edificios, los perfiles laminados tienen
varias ventajas, siendo las principales la rapidez con que se
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pueden convertir en estructura mediante el empleo de
procedimientos mecanizados de producción, su acero de
mayor resistencia, el disponer de las bases de datos ya
instalados en los programas de cálculo y la posibilidad,
tratándose de cantidades de cierta importancia, el fabricante
pueda adquirirlos ya cortados a largos especiales para evitar
empates y desperdicios. Se tiene la desventaja en nuestro
país de que la mayor parte de los perfiles estructurales
laminados son importados. Cuando la cantidad requerida es
menor de unas 70 toneladas (la capacidad de una plataforma
de ferrocarril) o el tiempo de ejecución es corto, entonces
esta opción deja de ser práctica y se tiene que recurrir a
perfiles de placas soldadas. La segunda regla es diseñar
el tipo de estructura que resulta más económica por
su mejor aprovechamiento de los materiales
comerciales disponibles para su fabricación. Cabe
mencionar que los distribuidores de acero en nuestro país ya
mantienen existencias de casi todos los perfiles
estructurales IR (W), pero no de los perfiles especiales como
las secciones M, S, HP, MC, ni de los angulares de lados
desiguales, ni las medias vigas WT. Éstas tienen que
hacerse partiendo por la mitad los perfiles IR (W)
correspondientes, lo que generalmente no hacen los
distribuidores de materiales sino los fabricantes de
estructuras.
Otro aspecto que debe cuidarse al diseñar con perfiles
laminados, sobre todo los importados, es usar el menor
número de perfiles diferentes. Los productores de acero
hacen paquetes de materiales para facilitar su carga,
principalmente de perfiles de poco peso. Puede suceder que
el diseño requiera una sola pieza de un perfil y tengan que
importarse cinco o seis, lo que encarece el costo de
materiales. Una buena regla de las construcciones de cierta
importancia es establecer un mínimo, como por ejemplo de 5
toneladas, de cada perfil que se vaya a usar.
Siempre que sea posible, es más económico usar acero con
Fy = 50 ksi, que acero A36, con Fy= 36 ksi. En los casos en
que el factor determinante del diseño es la resistencia, los
aceros de 50 ksi permiten obtener ahorros importantes de
peso, que compensan con creces su posible precio mayor.
La tercera regla es usar, siempre que sea lo
adecuado, aceros de altas resistencia.
Las placas comerciales en México casi siempre son de acero
de 36 mil libras, aun cuando no hay razón aparente para que
el mercado no maneje la placa de acero de 50 mil libras
prácticamente al mismo precio. Cuando el tiempo requerido
o el volumen de obra no permiten el uso de perfiles
estructurales laminados, entonces las vigas de tres placas y
columnas de tres o cuatro placas soldadas, son la solución
obligada. Pero aquí hay también decisiones muy importantes
que el diseñador debe tomar, que afectan seriamente el
costo de la estructura como veremos más adelante.
Fabricación
El proceso de convertir la materia prima en estructura se
llama fabricación. Su costo puede variar desde mucho menos
de lo cuesta la materia prima, a mucho mas, lo que depende
directamente del diseño. Para que la fabricación de una
estructura resulte económica, el diseño debe resultar de
rápida y fácil elaboración, con el mayor aprovechamiento
posible de materias primas y, generalmente, el menor
número de piezas componentes. Este criterio se aplica
también a los pernos de anclaje y a la tornillería. No deben
usarse muchas anclas de poco diámetro cuando pueden
usarse menos piezas de mayor tamaño, pero sin exagerar. El
diámetro máximo práctico de anclas es de unos 65 mm, ya
que es difícil encontrar barras y tuercas de mayor tamaño.
Lo mismo puede decirse de los tornillos, pero limitando el
tamaño a 1 ¼ de pulgada, ya que el equipo requerido para
apretar los tornillos mas grandes es muy pesado y muy
estorboso de usar.
Un detalle que conviene cuidar es evitar el uso de los pernos
de anclaje de diámetro muy pequeño, aunque el cálculo
muestre que no se requiere mayor tamaño. Es común que
durante la ejecución de la obra civil se maltraten por el
transito del equipo de construcción, problema que se
disminuye con la robustez del elemento, pero además las
anclas pueden tener que resistir cargas no previstas por el
cálculo, impuestas por causas accidentales como impactos,
viento o sismo o por el propio procedimiento de montaje.
Es recomendable que el diámetro no baje de 19 mm, y
cuando solo hay dos anclas en apoyos articulados, de 25
mm. Desgraciadamente se han presentado algunos casos de
derrumbes durante el montaje de naves, que hubieran podido
evitarse simplemente mediante el uso de pernos de anclaje
de mayor diámetro.
Un aspecto de la construcción a la que generalmente no se
le da la importancia que tiene, es la liga entre la cimentación
del edificio y su estructura, que consiste en el sistema de
anclaje, cuya instalación es responsabilidad del propietario.
Es decir, que las anclas se instalen correctamente en
cumplimiento con las tolerancias respectivas. Buena parte
del problema lo ocasiona la falta de atención que se le da a
este aspecto de la construcción y la costumbre de soldar las
anclas al fierro de refuerzo del concreto, en vez de hacer la
fijación a la cimbra de madera. El armado se mueve dentro
de la cimbra durante la colocación del concreto, por lo que se
mueven también las anclas, quedando fuera de su lugar.
Esto ocasiona que cueste trabajo instalar las columnas y
que sus bases queden fuera de su lugar, por lo que al
montar las trabes a las columnas, éstas se desplomen. Las
consecuencias de estas deficiencias son el retraso y
encarecimiento del montaje.
Sería de gran beneficio para la obra que el diseñador pusiera
una nota en sus planos estructurales, exigiendo el cabal
cumplimiento con las normas de tolerancia de instalación de
anclas, prohibiendo soldarlas al armado del concreto y
requiriendo del fabricante de la estructura la obligación de
suministrar plantillas metálicas diseñadas para fijarse a la
cimbra, que garanticen además del correcto posicionamiento
del conjunto de anclas, su verticalidad y
la altura
sobresaliente del concreto. Las conexiones de momento en
las conexiones entre trabes y columnas de acero son caras y
deben preferirse sistemas de arriostramiento verticales con
conexiones simples para resistir las fuerzas horizontales.
Probablemente la forma más económica de hacer este tipo
de conexiones es mediante el uso de muñones y placas
extremas. Los muñones alejan la conexión del nudo, donde
el momento es máximo, y las placas extremas permiten que
los tornillos de alta resistencia trabajen a tensión, que es su
forma más eficiente, al mismo tiempo que resisten las
fuerzas cortantes.
Un diseño complicado que desperdicia materiales resulta en
una estructura cara. El costo de la estructura siempre es una
cuestión de mucha importancia, sobre todo si se trata de una
construcción comercial. Por ejemplo, cuando un diseño pide
más soldadura es necesaria para resistir las cargas, se
aumenta el costo y el tiempo de fabricación y se incurre en el
riesgo de causar deformaciones dañinas innecesarias.
Puede decirse que un diseño que resulta en una estructura
que pesa más que lo necesario para satisfacer los requisitos
del proyecto, es un mal diseño. La cuarta regla del
Decálogo es diseñar el tipo de estructura que resulta
más económica por la sencillez de su elaboración, la
repetición de piezas iguales y el menor número de
piezas.
Varían los sistemas de producción de los diferentes
fabricantes, por lo que resulta que lo que es económico
producir para unos, no lo es para otros. Las maquinas
computarizadas de control numérico tienen gran capacidad
de producción de estructuras atornilladas en taller y en
campo, pero si el diseño requiere de conexiones con mucha
soldadura, son otros los equipos más productivos. La
capacidad de medios de movimiento de materiales en el
taller y el tamaño y disposición de sus naves, limitarán el
peso y el tamaño de piezas que le sea práctico producir.
Por lo general, el diseñador no sabe de antemano quien
fabricara la estructura. Por esto es muy importante que
quienes se dedican al diseño de estructuras metálicas
conozcan bien los procedimientos de fabricación, y para
esto, lo mejor es visitar los talleres de diferentes fabricantes,
de diversas especialidades y capacidades, para de primera
mano conocer lo que es fácil o difícil de hacer para unos y
otros. Mientras más conozca el diseñador la forma en que se
fabrican las estructuras, mejores diseños podrán hacer al
evitar características que las encarecen innecesariamente.
La quinta regla es que los diseñadores procuren
conocer los procedimientos de producción del mayor
número de talleres de fabricantes de estructuras que
pueda, grandes, medianos y chicos, para recomendar
los servicios del fabricante más adecuado a la obra
de que se trate.
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Una de las cuestiones más debatidas es si las estructuras deben
ser soldadas en taller y atornilladas en campo, atornilladas en taller
y en campo o soldadas en taller y en campo. Ya ni pensar en el uso
de remaches, que prácticamente han desaparecido, al igual que el
personal que los sabía colocar. Por lo que representa las primeras
dos alternativas, la respuesta es que la soldadura nunca
desaparecerá totalmente del taller y si las conexiones son
soldadas o atornilladas dependerá del equipo y experiencia con
que cuente el fabricante. Los sistemas de taladrado de control
numérico son cada vez son más comunes, por lo que se puede
suponer que a la larga la segunda alternativa se irá imponiendo en
México como lo ha hecho en Europa y Asia.
Por lo general, cuando puede disponerse de perfiles laminados,
siempre será más económico su empleo que el de perfiles
fabricados de tres o cuatro placas, a no ser que por circunstancias
especiales al precio de la placa sea mucho más bajo que el de los
perfiles. Cuando las columnas de cuatro placas tienen diafragmas
interiores o las tubulares rectangulares tienen las placas del
continuidad por el exterior, entonces su costo se eleva
considerablemente. En Estados Unidos también se usa este
diseño, pero no incurren en el alto costo de mano obra que
implican las placas de continuidad interiores y exteriores. Véase el
diseño de conexiones de momento en columnas tubulares
expuesto en el libro “ Design of Welded Structures” de Blodgett
para una solución económica de este problema. La sexta regla
es evitar diseñar columnas de cuatro placas en cajón con
diafragmas interiores.
A medida que se tiene más conocimiento del comportamiento de
columnas cruciformes, hechas con dos perfiles IR (W) iguales en
cruz, su uso se ha venido generalizando. Tienen, como las
columnas de cuatro placas en cajón, la ventaja de tener iguales
propiedades en ambos sentidos, pero sus diafragmas y placas de
continuidad son exteriores, sin dificultad para soldarse, sin
tendencia a torcerse por efecto de las soldaduras longitudinales, y
muchísimo más fáciles y económicas de fabricar, siendo además
siempre de acero de alta resistencia. La versión del 2013 del
Manual del IMCA tendrá tabuladas las propiedades del las
columnas cruciformes formadas con los perfiles IR (W) aptos para
este uso, ya que sus proporciones deben ser tales que el espacio
libre entre los bordos de dos patines adyacentes debe ser
suficiente para poder insertar y soldar los diafragmas requeridos.
Aun cuando hoy en día ya prácticamente todos los pisos de los
edificios con estructura de acero se diseñan como construcción
compuesta, para lograr el mejor aprovechamiento del material, vale
la pena pensar en los diseños en que las columnas también son de
construcción compuesta, con el concreto por el interior o el
exterior del perfil estructural. Un factor que mucho influye en el
costo de las estructuras es el diseño de las conexiones
atornilladas. Hay estudios muy interesantes sobre estas y otras
materias que se presentan en los Simposios que organiza el
Instituto Mexicano de la Construcción en Acero y en las
Convenciones de la A.I.S.C. Es recomendable que el diseñador se
mantenga al día en el desarrollo de la tecnología, asistiendo a los
eventos que organizan las sociedades dedicadas a la especialidad
de las estructuras de acero.
Una estructura que emplea arriostramientos u otros medios, en
vez de depender solo de la rigidez de marcos para resistir las
fuerzas horizontales, siempre será más económica. Su peso será
mucho menor, su fabricación resultará más rápida y económica por
la mayor sencillez de sus conexiones y habrá un importante ahorro
de tornillería. Pueden lograrse ahorros hasta del 50% usando
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estructuras totalmente arriostradas. Se dice que las estructuras de
marcos rígidos tienen la ventaja de que su redundancia resulta en
un mayor factor de seguridad. Si esta es la finalidad que se busca,
igual se puede lograr aumentando deliberadamente los factores
de seguridad del diseño riostrado, con la ventaja de conocer lo que
se aumentaron. Los que diseñan más que nada estructuras de
concreto armado, en las que todas las conexiones son rígidas,
tienen la tendencia de pensar que el acero debe diseñarse igual.
Son dos materiales muy diferentes y deben aprovecharse las
mejores características de cada uno. La séptima regla es usar
riostras, o algún otro medio, siempre que se pueda para
resistir las fuerzas horizontales en vez de depender sólo
de la rigidez de marcos.
Uno de los aspectos más descuidados en el diseño de las
estructuras es proyectar de manera que las dimensiones de las
placas de conexión o de los patines y almas de perfiles de placas
soldadas sean múltiplos del ancho (o largo) de las placas
comerciales. Al no hacerse así, se ocasiona el desperdicio, y por
ende el encarecimiento, de los materiales. En la actualidad está
desapareciendo del mercado la placa de 5’ de ancho, quedando
solamente anchos de 6 y 8’, lo que es una lástima porque se
pierden múltiplos muy útiles de anchos de placas. Sin embargo las
placas de 5´ pueden sustituirse con placa en rollo cuando su
espesor no es muy grande.
Como ejemplo de lo anterior, si se proyectan placas de 40 cm de
ancho y no hay mas que placa de 5´, 6’ y 8´ en el mercado, solo
salen 3 tiras de placa de 1.52 m de ancho y se desperdicia el 21
% del material. Con placa de 1.83 m se desperdicia el 12.5 % y
con placa de 2.44 m se podría sacar seis tiras de 40 cm sin
desperdicio, pero con límite de espesor en caso de patines, ya que
en ese ancho no se cuenta con espesores grandes. Con ancho de
tiras de 45 cm, prácticamente se elimina el desperdicio, al igual
que con anchos de 37.5 cm de placas de 1.52 m. La situación
puede ser todavía peor si se proyecta un ancho de placa de base,
de 51 mm de espesor, de 1.00 m de ancho; se desperdician 83 cm
de material o sea el 45% de material si no puede usarse el
sobrante en otra pieza de la obra. La octava regla es
dimensionar las piezas para aprovechar al máximo los
materiales
comerciales,
evitando
desperdicios
innecesarios.
Los perfiles de placas soldadas tienen la ventaja de que se pueden
diseñar secciones especialmente adecuadas a las condiciones del
proyecto, generalmente con peso menor que el de los perfiles
laminados y con menos mano de obra que las armaduras. Ejemplo
de esto, son los marcos rígidos de uso ya generalizado para naves
industriales y cada vez más para hangares. Existen dos tipos de
productos planos, los que se manejan en rollos de diversos anchos
(3’, 4’, 5’ y 6’), que se nivelan (planchan) y se cortan a largos
especiales al venderse y los que vienen ya planos, cortados a
tamaños comerciales, (6’ x 20’, 8’ x 40’, etc.). Los primeros
generalmente tienen entre 5 y 13 mm de espesor y los segundos
entre 5 y 76 mm de espesor. El material en rollo, muchas veces
disponible en acero de 50 mil libras, se usa generalmente para
marcos rígidos de naves industriales, comerciales y hangares. Si
el diseñador dimensiona el ancho de patines y la altura de almas
como múltiples de anchos comerciales de placas, evita el
desperdicio de materias primas que puede ser del orden del 20%.
La nueva versión del Manual del IMCA 2013, contendrá las tablas
de propiedades de vigas de tres placas soldadas que cumplen
estas condiciones.
Transporte
Para obtener los precios más bajos de transporte, la carga no
debe sobresalir del ancho (2.50 m) ni del largo (12.20 m) de
las plataformas de los trailers. La altura máxima de la carga
es de 4.50 m, pero no hay que confiarse de esta cifra porque
hay en México muchos pasos a desnivel que no llegan a esta
altura. La decisión de la altura a que se cargan los camiones
es generalmente del fabricante, pero el ancho y el largo de
las piezas es cuestión de su diseño.
Se busca generalmente que las columnas de los edificios
alcancen cuatro o más niveles de entrepisos. Si éstos son de
más de 3.00 m, entonces la longitud de la pieza resulta
mayor que los 12.20 m mencionados. No hay que
preocuparse por esto, si las piezas sobresalen del camión
hasta el metro y medio, pero si sobresalen mas, entonces se
aplica una cuota adicional al flete. Pueden transportarse en
estas condiciones piezas de 20 o más metros de largo y la
decisión que tiene que tomarse, generalmente por el
diseñador junto con el fabricante, es si es más conveniente
hacerle a la pieza una conexión o pagar el flete adicional, que
muchas veces es la solución más económica. Por lo que
respecta al ancho, generalmente puede sobresalir de los
lados de la plataforma hasta 30 cm sin encarecer el flete,
pero a medida que aumenta el ancho de las piezas el costo
del flete se dispara, siendo a veces en el caso de piezas muy
anchas, que cuesta más el flete que la estructura. Cuando el
ancho de las piezas pasa de 3.00 m, debe pensarse en
introducir conexiones atornilladas para embarcar piezas
sueltas que se arman en el campo.
Actualmente, puede decirse que en nuestro país, es posible
transportar piezas casi de cualquier tamaño y de cualquier
peso. Claro está, que a mayor tamaño y peso, mayor será
también el costo del transporte, pero el trabajo en campo
disminuirá si las piezas se ensamblan en taller, donde se
tiene la ventaja de contar con mejores medios de manejo,
con mas equipo y con más personal especializado. El trabajo
de campo siempre es más difícil y generalmente más caro
que el de taller. Siempre es cuestión de pesar los pros y
contras de las diversas alternativas y decidirse por la que
presenta las mayores ventajas. La novena regla del
Decálogo es diseñar la estructura en forma de que el
tamaño y el peso de las piezas no constituyan un
problema de transporte, a no ser que se puedan
lograr ventajas que compensen el costo de fletes
especiales.
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Montaje
En la actualidad prácticamente han desaparecido las plumas
de montaje y los malacates, que hace unos años eran de uso
universal. Con ellos han desaparecido también los
trabajadores que sabían manejar eficientemente estos
implementos. Hoy se dispone en nuestro país de grúas
autopropulsadas o montadas en camión y de torre con brazo
horizontal o abatible, con capacidades de carga y de alcance
para prácticamente cualquier montaje. Claro está que a
mayor capacidad y alcance, también es mayor el costo del
equipo. Es necesario que el diseñador de la estructura
piense en la forma en que esta pueda montarse de la forma
más económica.
En edificios de cierta altura, generalmente la mejor solución
será mediante el uso de una grúa torre ubicada
centralmente, con alcance para descargar los camiones que
traen la estructura a la obra y para colocar las piezas más
alejadas y con la capacidad para levantar a estas distancias
las piezas más pesadas. Con esto en mente, puede convenir
diseñar columnas de construcción compuesta, que permiten
ahorros considerables en su peso y por consiguiente permitir
el uso de equipo más económico para el montaje. Con este
procedimiento se obtiene también un ahorro en el peso total
de la estructura, ya que las columnas generalmente serán los
elementos más pesados. El uso de una grúa torre implica el
costo de llevarla a la obra y montarla, y al terminar el trabajo
desmontarla de su altura total y devolverla. Este costo es
importante y puede influir mucho en el costo total de la obra.
Los centros comerciales, estacionamientos, naves
industriales y otros edificios de gran extensión y baja alturas,
se podrán montar económicamente con grúas auto
transportables, que llegan a la obra en cuestión de horas y se
mueven rápidamente de un lugar a otro. Es indispensable
que el terreno se encuentre nivelado, compacto y sin
obstrucciones que impidan la libre circulación de las grúas
para que puedan trabajar eficientemente.
Es muy importante determinar la forma y el orden en que se
hará el montaje desde el inicio de la contratación de la
estructura, ya que así se establece el orden en que deben
hacerse los planos de taller, ordenarse los materiales y
fabricarse la estructura. Cuando se establecen las
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prioridades desde el principio, al producirse la estructura
fuera de orden puede resultar que se ocasionen
congestiones en el piso del taller y en la obra e
interrupciones del suministro, que provocan retrasos en la
obra. Aun cuando este es un aspecto que más puede
involucrar a la dirección de obra que al diseñador, el propio
diseño puede obligar a cierta forma de montaje y es
recomendable que al diseñador lo tenga presente.
El montaje soldado también parece estar desapareciendo, ya
que con la llegada de los tornillos de alta resistencia, de
buena calidad y bajo precio, los montajes atornillados están
prevaleciendo en todo el mundo y cada vez se ven menos
montajes soldados. Por lo regular, se requiere menos del 1%
del peso de la estructura de tornillería para el montaje,
comparado con el 1 ½ de soldadura, aunque ciertamente el
peso de las conexiones es mayor. Sin embargo, el menor
costo del montaje compensa con creces el mayor de los
pesos de las estructuras atornilladas.
La correcta aplicación de soldadura requiere el seguimiento
de procedimientos precisos y de vigilancia estricta, que no
siempre se logra en el taller y solo con mucha más dificultad
en el campo. Con los montajes soldados tiene que cuidarse
mucho la secuencia de aplicación de la soldadura y la fijación
de los elementos para evitar que se produzcan
deformaciones de la estructura, que una vez que se
presentan, son muy difíciles de corregir. Por otro lado, no
todos los talleres de fabricación de estructuras tienen la
capacidad de trabajar con la exactitud necesaria para el
montaje atornillado. La falta de precisión en la posición de
los agujeros de las conexiones puede causar problemas de
montaje gravísimos, al grado de ser casi imposible instalar
una estructura atornillada. Es recomendable que el
diseñador, si conoce de antemano que el fabricante carece
de la experiencia necesaria para hacer una estructura
atornillada, opte por proyectar un montaje soldado, con
tornillos solo para auxiliar el posicionamiento de las piezas.
La decima regla del Decálogo es que el montaje más
económico es el atornillado con tornillos de alta
resistencia, pero siempre que el fabricante tenga
capacidad demostrada para hacer este tipo de
trabajo.
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Comentarios adicionales
Con alguna frecuencia se presenta la exigencia de que los empalmes de perfiles estructurales se hagan con la soldadura en
“Z”. Este tipo de unión es una reminiscencia de los empalmes de las vigas de madera, donde tiene su razón de ser, pero que no
es aplicable a las uniones soldadas. Son más caras de hacer, desperdician material y no producen una unión más segura. La
AWS recomienda que no se usen.
Otra exigencia común, sin razón de ser, es que los tornillos deben sobresalir de la tuerca cuando menos tres cuerdas. Basta, y
así lo indican las especificaciones correspondientes, que el extremo del tornillo quede al ras con la cara de la tuerca. Por otra
parte, tampoco hay limitación a lo que pueda sobresalir el tornillo de la cara de la tuerca, más que la consideración económica
de no usar tornillos más largos que lo necesario o la de carácter estético, de índole muy personal.
A veces se exige que la longitud de un tramo empalmado en el extremo de una viga o columna sea de un cierto largo mínimo.
No existe ninguna especificación al respecto. La longitud mínima, cuando hay una conexión en el extremo, es la necesaria para
que la soldadura del empalme no estorbe el asiento de la pieza conectada. No habiendo pieza conectada, se vuelve una simple
consideración estética que cada taller debe resolver, aceptando que un añadido muy corto puede parecer reparación y por
consiguiente verse mal.
Cuando deben o no usarse arandelas en anclas y tornillos, es un tema de frecuente discusión. La respuesta es que deben
usarse en los casos en que las especificaciones o la lógica indican que son necesarias. Tratándose de tornillos de alta
resistencia, las roldanas de presión no sirven más que de estorbo y no debe usarse. Siempre que el agujero sea de igual o
mayor diámetro que la tuerca, debe usarse una arandela, y si el perno es de alta resistencia, debe ser de acero endurecido. Los
tornillos A325 no llevan arandelas excepto en los casos especiales marcadas en las especificaciones.
Hay ocasiones en que se exige que se esmerilen los refuerzos de las soldaduras. El fabricante debe hacerlo sin cobrar cuando
así lo marcan los planos de ingeniería o el refuerzo no cumplen los requisitos de la AWS. En los demás casos, no tiene por qué
hacerlo si no se le paga el trabajo adicional que representa.
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