Criterios Generales de Estructuración 01

16/10/2015

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Ing. Jorge Rosas Espinoza Ingeniero Civil - Universidad Nacional de San Agustin Arequipa – Peru

MSc. Earthquake Engineering - University at Buffalo, The State University of New York - USA

ESTRUCTURAS VI

CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración

- Criterios Generales de Estructuración y Diseño.

Cuantificación de Cargas.

Cargas Permanentes

Cargas Muertas

Cargas Vivas

Cargas Dinámicas

Cargas de Viento

Cargas de Sismo

Tipos de Esfuerzos y Elementos Estructurales

Esfuerzos

Tracción

Compresión

Flexión

Cortante

Flexocompresión

Torsión

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Cuantificación de las Cargas.-

Los análisis y posteriormente los diseños se basan en hallar los

diferentes esfuerzos en los elementos estructurales y que éstos tengan la

capacidad de poder resistirlos a través de su sección y tipo de material.

Por lo tanto para poder realizar un análisis estructural es necesario

conocer los elementos estructurales, su sección y el material. Sobre

estos elementos actúan una serie de fuerzas o cargas y son éstas las que

pueden hacer fallar algunos elementos estructurales y finalmente

colapsar la estructura total.

Las cargas que se deben considerar son:

Cargas Permanentes.

Cargas Dinámicas.

CAPITULO I: Criterios Generales de

Estructuración

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Cargas permanentes.-

Las cargas permanentes son aquellas que están relacionadas con el peso,

también se conocen como cargas de gravedad.

Existen dos tipos de cargas permanentes, que dependen del material y

del uso de la edificación. Las cargas permanentes son: Cargas Muertas

y Cargas Vivas.

Cargas muertas.-

Se deben a los pesos de los elementos estructurales y los elementos no

estructurales. Están relacionadas directamente al tipo de material (Peso

específico) y su sección. Todos los materiales tienen un peso específico

(Peso/Volumen) y conociendo su geometría podemos encontrar el peso

total de cada elemento.


Estructuración

Este peso generalmente es invariable durante la vida útil del

elemento, puede tener variación solamente en el proceso

constructivo, debido a una mayor o menor sección, siendo esta

variación mínima. En algunos casos, como son los elementos no

estructurales, puede existir una variación si estos elementos son

eliminados o remplazados por otro material.

Por lo tanto no es recomendable modificar los elementos no

estructurales salvo que esta modificación sea con materiales de

menor peso específico.

Los principales materiales usados en las edificaciones y sus

respectivos pesos son:

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Estructuración


Estructuración

Cargas Vivas.-

Las cargas vivas, llamadas también sobrecargas, están relacionadas

con el uso de las edificaciones, por lo tanto tiene que ver con la

cantidad de personas, muebles, equipos, maquinarias, vehículos y

otros.

Existe actualmente en el Reglamento Nacional de Edificaciones la

Norma Técnica E-020 que trata sobre las diferentes cargas que se

deben aplicar a las estructuras de acuerdo al uso de la edificación.

Las principales cargas vivas son:

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Estructuración


Estructuración

Cargas Dinámicas.-

Las cargas dinámicas se refieren a aquellas que no son permanentes,

son esporádicas y se presentan debido a la presencia de una

aceleración, esto es una variación de velocidades.

Las principales cargas dinámicas son de viento y sismo. Son las que

más daño ocasionan a las edificaciones por cuanto su comportamiento

sobre cada edificación es diferente, pueden tener variaciones de

velocidades muy amplias que finalmente generan aceleraciones que

conjuntamente con el peso de los edificios producen fuerzas que

pueden hacer colapsar cualquier estructura.

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Creemos que estas fuerzas son las de mayor importancia, en los últimos

años se ha demostrado que debido a fuerzas de sismo muchas

edificaciones han tenido problemas estructurales. La costumbre ha

llevado a realizar análisis estructurales solamente de cargas permanentes

y se ha dejado de lado las cargas dinámicas. Entendemos que estos casos

se presentaban por cuanto los métodos de análisis estructurales

solamente contemplaban las estructuras planas en dos dimensiones.

Felizmente en los últimos años se ha tenido un gran avance en la

aplicación de nuevas teorías como son de rigidez, flexibilidad y

elementos finitos que nos están dando la posibilidad de analizar una

estructura en tres dimensiones.

Adicionalmente se tiene que reconocer que los avances tecnológicos han

permitido tener mejores equipos que nos permiten obtener datos sobre

aceleraciones de los sismos.


Cargas de Viento.-

En la Norma E-20 Cargas, considera la presión que ejerce el viento

sobre las edificaciones. La presión depende de la velocidad del viento

por lo tanto tiene que ver con la ubicación de la edificación. Si nos

referimos a nuestra ciudad la velocidad del viento no es de importancia,

por lo que nuestras edificaciones no son diseñadas para dicha acción.

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Cargas de Viento.-

La velocidad de diseño del viento hasta 10 m de altura será la

velocidad máxima según la zona donde se encuentra ubicada la

edificación. Para obtener la velocidad máxima la Norma E-020

proporciona el mapa eólico del Perú. Se tiene que tener en cuenta

que la velocidad mínima a usar es de 75 Km/h.

La velocidad de diseño del viento en cada altura de la edificación se

obtiene de la siguiente expresión:

Generalmente las edificaciones de estructuras metálicas son

analizadas y diseñadas considerando las fuerzas de viento,

principalmente por la forma y altura que tienen.


Estructuración

Cargas de Sismo.-

El Perú se encuentra en la zona de mayor concentración de sismos,

ellos han producido grandes pérdidas de vidas y económicas. Se han

presentado en todo el litoral y en algunas zonas del nororiente.

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Estructuración El origen de los sismos ha sido asignado a causas diferentes a lo largo

de la historia. Recién a principios del siglo pasado los sismos

comienzan a vincularse con fallas geológicas. No vamos a tratar

sobre la teoría de los sismos, solamente haremos referencia al

movimiento de las placas tectónicas que producen finalmente fallas

en la corteza terrestre.

En el caso del Perú se presenta dos placas: Placa Continental y Placa

de Nazca, esta última por subducción penetra bajo la placa

Continental, por este movimiento se han producido grandes

terremotos en nuestro País.


Estructuración

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Estructuración

Tipos de Esfuerzos y Elementos Estructurales.-

Para poder determinar el tipo de elemento estructural que se debe

utilizar en una edificación es necesario recordar los diferentes

esfuerzos que se presentan en ellos ante la presencia de cargas

permanentes y dinámicas.

Esfuerzos.-

Los principales esfuerzos son:

- Tracción

- Compresión

- Flexión

- Corte

- Flexo compresión

- Torsión

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Tracción

Se presenta por la acción de una fuerza axial

directa sobre el área del elemento. Produce un

estiramiento ocasionando disminución del área

original hasta llegar al colapso del elemento

estructural. Por lo tanto es necesario que al

presentarse este esfuerzo el material del elemento

estructural debe tener la característica principal de

poder resistir el estiramiento sin llegar al colapso

de una manera inmediata.

No todos los materiales tiene esta característica,

algunos fallan rápidamente ante la acción de la

fuerza axial de tracción, se les denomina

materiales frágiles, otros tiene una mayor

resistencia a la tracción y pueden deformarse más,

se les denomina materiales dúctiles.


Compresión

Se presenta por la acción de una fuerza de compresión

sobre el área del elemento estructural, esta fuerza debe

de presentarse de una manera uniforme sobre toda el

área, por cuanto si se aplica una mayor fuerza en una

zona del área, la compresión no es uniforme sino será

flexo compresión, siendo otro tipo de esfuerzo.

Uno de los problemas que existen es justamente que

las cargas no son uniformes y que los elementos

estructurales tienen características propias de

geometría. Si el elemento es de mucha longitud y poca

sección se presentará ante la acción de la carga axial un

problema llamado pandeo. El pandeo es la presencia de

un doblez del elemento por la acción de la fuerza de

compresión, al presentarse curvatura se está generando

una flexión y por lo tanto se tratará del esfuerzo de

flexo compresión.

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Flexión

Sobre algunos elementos estructurales se

aplican cargas que producen deformaciones de

curvatura, que finalmente hacen que se

presenten esfuerzos de tracción y compresión

por flexión. Estamos tratando sobre un

esfuerzo que tiene parte de lo explicado

anteriormente. Por lo tanto los materiales a

usar deben tener la característica de poder

resistir tracción y compresión

simultáneamente.

Las propiedades de resistencia de los

materiales se caracterizan por tener capacidad

adecuada solamente para uno de los esfuerzos,

debido a esto es que se tiene que usar

elementos con materiales combinados.


Cortante

Debido a la presencia de flexión en algunos

elementos estructurales, se presenta el esfuerzo

de cortante, es un esfuerzo de cizallamiento o

un esfuerzo tangencial. Al doblarse un

elemento se trata de separar cada capa, el

rozamiento entre cada una de ellas se

denomina esfuerzo tangencial o esfuerzo

cortante.

Conjuntamente con el esfuerzo por flexión

generan finalmente un esfuerzo de tracción

diagonal que es el principal problema que

tiene todos los elementos estructurales. Este

esfuerzo de tracción diagonal ha ocasionada la

mayor cantidad de colapsos en las estructuras

ante la acción de fuerzas sísmicas.

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Flexocompresión

Sobre algunos elementos estructurales se

presentan fuerzas y momentos de flexión

simultáneamente, ocasionando el esfuerzo de

flexo compresión.

Para este caso lo más recomendable es usar

elementos con materiales que puedan resistir la

compresión y además que no fallen por la

flexión. Tal como ya se indicó anteriormente el

concreto armado es el material adecuado para

resistir ambos esfuerzos.

Es necesario tener presente que por la

geometría de los elementos pueden, también,

tener problemas de pandeo ante la acción de

compresión.


Torsión

Este tipo de esfuerzo generalmente se presenta en vigas, es similar al

esfuerzo cortante por cuanto su tipo de falla es diagonal.

Elementos Estructurales.-

Las cargas permanentes y dinámicas deben ser resistidas por elementos

que son parte fundamental de la estructura de las edificaciones.

Los principales elementos estructurales de las edificaciones son:

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Estructuración

- Losas.

- Vigas.

- Columnas.

- Muros de corte.

- Cimentaciones.

Se explicará brevemente cada una de ellas, por cuanto es necesario

conocer el tipo de comportamiento que tienen.

1.- Losas.-

Las losas son los elementos que sirven de techos o pisos. Por su

comportamiento estructural son de dos tipos: Losas unidireccionales

y bidireccionales.


Estructuración

Las cargas que se presentan sobre las losas son el peso propio, piso

terminado y la sobrecarga de acuerdo al uso de la edificación. Las losas

pueden tener desde un apoyo hasta cuatro apoyos en su contorno.

El principal esfuerzo es de flexión y corte, por lo tanto tienen tracción

por flexión, compresión por flexión y tracción diagonal.

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Estructuración La tracción por flexión es resistida por el acero principal o longitudinal.

Para el caso de la tracción diagonal la Norma Técnica E-060, así como

los Reglamentos a nivel mundial recomiendan que el concreto tenga la

suficiente resistencia para poder resistir dicho esfuerzo, de esa manera

se evita la colocación del acero transversal o estribos.

Adicionalmente a los esfuerzos indicados, un problema que se presenta

en las losas son las deformaciones debido a la curvatura por flexión.

Siendo el espesor de las losas pequeño las deformaciones por curvatura

son altas.

Sin embargo explicaremos que las losas unidireccionales se usan para

cubrir áreas pequeñas y las losas bidireccionales para áreas de mayor

magnitud y mayor importancia.


Para definir si las losas son unidireccionales o bidireccionales dependen

de los apoyos existentes en su contorno. Una losa de uno o dos apoyos

es unidireccional, si tiene tres o cuatro apoyos es una losa bidireccional.

Losas

Unidireccionales

Losas

Bidireccionales

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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración Mostramos ejemplos de ambos tipos de losa.

Losas unidireccionales:

Losa bidireccional:


En una losa unidireccional la curvatura o flexión se presenta en una

sola dirección, por lo tanto solamente en esa dirección tenemos los

esfuerzos indicados, sin embargo en las losas bidireccionales la

curvatura o flexión se presentan en dos direcciones ortogonales, siendo

los esfuerzos en esas direcciones. Los diseños para cada esfuerzo serán

de acuerdo a las direcciones de las curvaturas.

Se ha indicado que para este elemento estructural el mayor problema

son las deformaciones, por lo tanto para definir su peralte se debe de

tener en cuenta una deformación permisible.

Para su predimensionamiento se tiene en cuenta la longitud de la losa,

por cuanto los criterios que se usan tienen en cuenta las máximas

deformaciones. La Norma E-060 nos proporciona el siguiente criterio:

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- Losas aligeradas continuas conformadas por viguetas de 10 cm de

ancho, bloques de ladrillo de 30 cm de ancho y losas igual o superior de

5 cm, con sobrecargas menores a 300 Kg/m2 y luces menores de 7,50 m:

- Losas aligeradas continuas conformadas por viguetas de 10 cm de

ancho, bloques de ladrillo de 30 cm de ancho y losas superior de 5 cm,

con sobrecargas menores a 300 Kg/m2 y luces menores de 7,50 m:

El predimensionamiento aproximado para losas bidireccionales es:


En general se pueden considerar los siguientes parámetros para definir

los peraltes de losas aligeradas unidireccionales:

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De acuerdo a su geometría las losas pueden ser:

- Losas macizas

- Losas nervadas

Losas macizas: son aquellas cuya sección es totalmente de concreto. Su

uso no es muy frecuente por su costo, generalmente se emplean para

edificaciones industriales.

Losas

Macizas


Losas nervadas: Su sección es de espesores diferentes, si se tiene la losa

solamente con nervaduras su costo es elevado.

El vacío entre vigueta y vigueta puede ser rellenado con un material

liviano, usamos ladrillo hueco. Este tipo de losa es el más usado por

cuanto su costo y peso es menor que las losas macizas.

En la actualidad los tipos de losas están variando debido a la

industrialización que se viene dando en la construcción.

Como ejemplo se tiene las losas con material de tecknopor entre

viguetas, reemplazando a los ladrillos de techo, las viguetas son de

concreto pretensado:

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Losas Aligeradas

con Tecknopor

Losas Aligeradas con

Viguetas Pretensadas y

Tecknopor


Otro ejemplo son las llamadas “Placas colaborantes”, que consisten en

una plancha galvanizada plegada sobre la cual se coloca concreto con un

peralte mínimo. La plancha reemplaza al acero de construcción usado

como principal por flexión:

Losas Colaborantes

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2.- Vigas.-

Son elementos estructurales que resisten su peso propio, peso de las

losas, peso de muros, sismo y sobrecargas de acuerdo al uso de la

edificación.

Los esfuerzos que se presentan son de tracción por flexión, compresión

por flexión y tracción diagonal. De manera similar a las losas, también se

presentan deformaciones pero en este caso no tienen la misma

importancia, salvo que sean vigas cuyo peralte sea igual al de la losa.


En lo referente a los apoyos pueden ser columnas, constituyendo los

llamados pórticos, muros y/o vigas. Para el primer caso la sección de las

vigas es de mucha importancia por cuanto los pórticos son elementos que

resisten las fuerzas sísmicas y de acuerdo a su rigidez harán que la

edificación tenga una mayor o menor deformación lateral.

En lo referente a su geometría se tiene vigas peraltadas y vigas “chatas”.

Las vigas peraltadas son aquellas cuyo altura o peralte es mayor que la

altura de la losa. El peralte de las vigas “chatas” es igual al peralte de la

losa.

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El predimensionamiento de la viga está en función de la resistencia y no

depende de la deformación.

Considerando una cuantía de acero del 50% de la cuantía balanceada y

teniendo en cuenta que las vigas forman pórticos con las columnas y

serán resistentes ante la acción de un sismo se recomienda que el peralte

de la viga sea:

En cuanto al espesor o ancho de la viga, la Norma Técnica E-060

determina que debe ser como mínimo 25 cm, recomendamos que en

edificaciones mayores a cuatro pisos se debe usar un mínimo de 30 cm

para tener una adecuada colocación del acero principal de la viga.

En líneas generales se puede considerar los siguientes parámetros para las

dimensiones de vigas:


3.- Columnas.-

Son elementos estructurales que reciben el peso propio, peso de vigas,

peso de losa, peso de muros, sismo y sobrecargas. Son los elementos más

importantes para la resistencia de una edificación, la falla de una

columna puede determinar el colapso total de una edificación.

Los esfuerzos que se presentan en las columnas son de flexo compresión,

flexo tracción, tracción diagonal y pandeo o esbeltez.

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CAPITULO I: Criterios Generales de Estructuración Lo importante es que las columnas no tienen un comportamiento en

una sola dirección, por cuanto la fuerza sísmica se considerará que

actúa en dos direcciones perpendiculares, por lo tanto el análisis y

diseño debe de efectuarse para ambas direcciones y el diseño final será

para el caso más crítico.

La forma geométrica de las columnas es variada, pueden ser

cuadradas, rectangulares, circulares o de cualquier otra forma

geométrica determinada por la arquitectura.


De acuerdo a la Norma Técnica E-060 la menor dimensión debe ser 25

cm. Recomendamos para edificaciones mayores a tres niveles usar

como mínimo 30 cm.

Las dimensiones de las columnas no solamente van a dar resistencia a la

edificación, sino principalmente permitirán una mayor o menor

deformación lateral del edificio.

El efecto de esbeltez tiene que ser siempre considerado, principalmente

para el caso de columnas de doble altura o de secciones menores.

Para su predimensionamiento existen muchos criterios, se recomienda

los siguientes criterios que tienen en cuenta la esbeltez y la resistencia

por compresión del concreto:

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4.- Muros de Corte.-

Son elementos estructurales similares a las columnas, por lo tanto

resisten su peso propio, peso de vigas, peso de losas, peso de muros,

sismo y sobrecargas.

Los esfuerzos que resisten son: flexo compresión, flexo tracción,

tracción diagonal, en direcciones paralelas a su plano así como

perpendiculares al mismo.


Su mayor importancia es la rigidez que le ofrece a los edificios, pero su

mayor problema es su fragilidad, por lo tanto análisis y diseño deben

ser realizados considerando todas las posibilidades de falla,

principalmente ante la acción de sismo.

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La forma geométrica de los muros de corte puede ser variable:

En lo referente a su predimensionamiento, se considera el espesor

mínimo que trata la Norma E-060:

En la actualidad se está usando muros de corte en concreto armado con

espesores de 10 cm para edificaciones de viviendas.


5.- Cimentaciones.-

Todos los pesos, momentos de flexión y fuerzas horizontales se

transmiten a la base de la edificación apoyándose en el suelo. Para este

caso es necesario que se realice un Estudio de Suelos, mediante el cual

se tiene que indicar cual es la resistencia del suelo (Capacidad Portante)

y la profundidad de desplante (Df) donde se debe cimentar.

Según la profundidad de la cimentación se considera cimentaciones

superficiales y cimentaciones profundas, en ésta última se usan pilotes.

Para ambos casos los tipos de cimentación que se presentan son:

- Zapatas aisladas.

- Zapatas conectadas.

- Zapatas combinadas.

- Cimientos corridos.

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Zapatas Aisladas.- Son aquellos que soportan una sola columna.

Zapatas Combinadas.- Son aquellas que soportan dos o más columnas.

Similar a una zapata aislada.

Zapatas Conectadas.- Son zapatas que por estar en el límite de

propiedad es necesario que tengan una viga que conecte a un dado o

zapata para contrarrestar el momento de volteo que se presenta por la

excentricidad.


Cimientos Corridos.- Son cimentaciones que soportan muros de

albañilería o de concreto armado.

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En todos estos tipos de cimentación los esfuerzos que se presentan son:

tracción por flexión, compresión por flexión, tracción diagonal,

aplastamiento y corte por punzonamiento.

En lo referente al predimensionamiento no es necesario efectuarlo para

una estructuración y posterior análisis, basta con asumir un tipo de

zapata según el Estudio de Suelos que se tiene que efectuar con

anterioridad.

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