CRITERIOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS
1. Introducción 2. Sistemas Estructurales 3. Criterios de Estructuración 4. Condiciones de Regularidad 5. Problemas de Comportamiento 6. Estructuración de Edificios 7. Diseño de Perfiles de Acero 8. Estructuración 8.1. Columnas 8.2. Vigas o Trabes 8.3. Vigas Secundarias 8.4. Sistemas de Piso 8.5. Conexiones 8.6. Detalles Estructurales Típicos
1. Introducción: Se debe cumplir las siguientes exigencias: a) Estabilidad y Resistencia La estabilidad y la resistencia son importantes para que no hayan riesgos indebidos; mediante esta forma se asegura la resistencia y estabilidad frente a las acciones e influencias previsibles en el proceso de construcción, y que un evento catastrófico (como puede ser un sismo) no produzca consecuencias desproporcionadas respecto a la causa original y se facilite el mantenimiento previsto. b) Rigidez Hay límites de rigidez, pero se sabe que todo edificio o construcción nunca debe ser rígido para poder absorber mejor cualquier ondulación. c) Funcionabilidad Ligado más al diseño arquitectónico el cual se hace con el propósito que va a tener ese edificio. d) Economía Debe cumplir el balance de ser lo menos costoso sin arriesgar su funcionalidad. e) Constructibilidad Será la metodología a usar para la facilidad de la construcción. f) Forma También ligado al diseño arquitectónico, donde éste estará sujeto a variaciones si es que no puede ser capaz de resistir en su forma original. g) Símbolo Es el estatus al que se posiciona por su imponencia ante otras estructuras y el valor que se le concede ya sea por su arquitectura o por su historia. h) Medio social-Organizativo Son las personas para la que está destinada la edificación.
2. Sistemas Estructurales: a) Marcos rígidos
Es el tipo de estructuración más común hoy en día para edificios tanto de concreto como de acero. Son ideales para: Gimnasios, supermercados, hangares, bodegas o cualquier aplicación, donde el espacio interior libre es necesario.
b) Marcos con contraventeos concéntricos
Los dúctiles tienen la capacidad de disipar energía mediante fluencia de las diagonales o de sus conexiones mientras que los de ductilidad normal resisten fuerzas de tensión y compresión a la vez que permiten deformaciones inelásticas moderadas en sus conexiones en eventos sísmicos intensos. Los marcos de este tipo deberán satisfacer, además, los requisitos esp ecíficos indicados en esta sección. En este tipo de marcos no se permite: -
Diagonales en “V”, conectadas en un solo punto, y en un solo lado, cercano
a la zona central de la trabe, a menos que se cumplan los requisitos propios de su diseño. -
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Diagonales en “K”, conectadas en un solo punto y en un solo lado de la
columna. Hay consideraciones especiales para su configuración de las diagonales: Los contraventeos en V y en V invertida deben satisfacer los requisitos siguientes: 1) Las vigas interceptadas por contravientos deben ser contínuas e ntre columnas. 2) Las vigas interceptadas por contravientos deben diseñarse para que resistan los efectos de todas las cargas tributarias, muertas y vivas, suponiendo que el contraventeo no existe. 3) Las vigas interceptadas por contraviento deben diseñarse para que resistan los efectos de las cargas verticales, muertas y vivas, más una carga vertical aplicada por las diagonales, calculada considerando una fuerza mínima igual a Py en la diagonal en tensión y una fuerza máxima de 0.3FcRc en la comprimida. 4) Los patines superior e inferior de las vigas, en el punto de intersección de las diagonales de contraventeo, deben diseñarse para que soporten
una fuerza lateral igual a dos por ciento de la resistencia nominal del patín, igual al producto de su área por F y.
c) Marcos con contraventeos excéntricos
En este tipo de marco por lo menos uno de los extremos de cada miembro en diagonal se conecta a una viga a una distancia pequeña del extremo de la viga que se une a la columna del marco o, en sistemas con diagonales en V o en V invertida, las dos diagonales se unen a la parte central de la viga dejando, entre ellas, una distancia pequeña.
d) Marcos rígidos con muros de cortante
Consiste en un muro de concreto o una placa de acero rigidizada que conecta dos columnas, las conexiones adyacentes al muro de cortante son simples para permitir que las columnas y el núcleo se muevan sin inducir esfuerzos. Este tipo de marcos se utilizan para edificios en zonas sísmicas
e) Marcos rígidos resistente a momentos
Se utilizan cuando no hay suficiente espacio para utilizar otro sistema de cortante. Este tipo de marco obtiene su rigidez de la vigas y columnas y de la rigidez de las conexiones, para esto las conexiones viga-columna deben ser completamente rígidas o semirrígidas.
3. Criterios de Estructuración -
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Toda edificación debe contar con un sistema estructuras que permita el flujo adecuado de las fuerzas que generan las distintas acciones de diseño, para que dichas fuerzas puedan ser transmitidas de manera contínua y eficiente hasta la cimentación Toda estructura y cada una de sus partes deben diseñarse para cumplir con los requisitos básicos siguientes: a) Tener seguridad adecuada contra la aparición de todo estado límite de falla posible antes las combinaciones de acciones más desfavorable que puedan presentarse durante su vida esperada, y, b) No rebasar ningún estado límite de servicio ante combinaciones de acciones que corresponden a condiciones normales de operación. Los edificios deben tener columnas y placas (muros de concreto armado) en las dos direcciones. Ellos son equivalentes a los muros de ladrillo de las viviendas de dos o tres pisos. Si pensamos en edificios de altura mediana o importante, la estructura principal son los elementos de concreto armado y ya no los muros de ladrillo. Ellos son solamente elementos de relleno, que en otros países se hacen con drywall o planchas ligeras similares.
4. Condiciones de regularidad Estructura regular
Para que una estructura pueda considerarse regular debe satisfacer los siguientes requisitos. 1) Su planta es sensiblemente simétrica con respecto a dos ejes ortogonales por lo que toca a masas, así como a muros y otros elementos resistentes. Éstos son, además, sensiblemente paralelos a los ejes ortogonales principales del edificio.
2) La relación de su altura a la dimensión menor de su base no pasa de 2.5. 3) La relación de largo a ancho de la base no excede de 2.5. 4) En planta no tiene entrantes ni salientes cuya dimensión exceda de 20 por ciento de la dimensión de la planta medida paralelamente a la dirección que se considera del entrante o saliente. 5) En cada nivel tiene un sistema de techo o piso rígido y resistente. 6) No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensión exceda de 20 por ciento de la dimensión en planta medida paralelamente a la abertura; las áreas huecas no ocasionan asimetrías significativas ni difieren en posición de un piso a otro, y el área total de aberturas no excede en ningún nivel de 20 por ciento del área de la planta. 7) El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseño sísmico, no es mayor que 110 por ciento del correspondiente al piso inmediato inferior ni, excepción hecha del último nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso. 8) Ningún piso tiene un área, delimitada por los paños exteriores de sus elementos resistentes verticales, mayor que 110 por ciento de la del piso inmediato inferior ni menor que 70 por ciento de ésta. Se exime de este último requisito únicamente al último piso de la construcción. Además, el área de ningún entrepiso excede en más de 50 por ciento a la menor de los pisos inferiores. 9) Todas las columnas están restringidas en todos los pisos en dos direcciones sensiblemente ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas planas. 10) Ni la rigidez ni la resistencia al corte de ningún entrepiso difieren en más de 50 por ciento de la del entrepiso inmediatamente inferior. El último entrepiso queda excluido de este requisito. 11) En ningún entrepiso la excentricidad torsional calculada estáticamente, es, excede del diez por ciento de la dimensión en planta de ese entrepiso medida paralelamente a la excentricidad mencionada. Estructura irregular
Toda estructura que no satisfaga uno o más de los requisitos de la sección 6.1 será considerada irregular. Estructura fuertemente irregular
Una estructura será considerada fuertemente irregular si se cumple alguna de las condiciones siguientes: 1) La excentricidad torsional calculada estáticamente, es, excede en algún entrepiso de 20 por ciento de la dimensión en planta de ese entrepiso, medida paralelamente a la excentricidad mencionada.
2) La rigidez o la resistencia al corte de algún entrepiso exceden en más de 100 por ciento a la del piso inmediatamente inferior.
5. Problemas de Comportamiento: Irregularidad de planta
Es importante la simplicidad para un mejor comportamiento sísmico de conjunto de una estructura, y resulta más sencillo proyectar, dibujar, entender y construir detalles estructurales. Otro factor importante es la simetría respecto a sus dos ejes en planta, es decir su geometría es idéntica en ambos lados de cualquiera de los ejes que se esté considerando. La falta de regularidad por simetría, masa, rigidez o resistencia en ambas direcciones en planta produce torsión, que no es fácil de evaluar con precisión. Es necesario mencionar que a pesar de tener una planta simétrica, puede haber irregularidades debido a una distribución excéntrica de rigideces o masas ocasionando también torsión. En caso de que se tuviera entrantes y salientes, es decir plantas en forma de T, L, H, U, etc. es aconsejable utilizar juntas de construcción, dividiendo la planta global en varias formas rectangulares y como segunda opción se puede restringir las mismas con limites máximos, como se indica en la Figura 11.2 Es preferible no concentrar elementos rígidos y resistentes, tales como muros de corte, en la zona central de las plantas, porque son menos efectivos para resistir torsión, si bien los muros ubicados en la zona central tienen un comportamiento aceptable, las columnas estarán sujetas a un cortante por torsión mayor que aquél proporcionado por la ubicación de los muros e n la periferia. No es nada recomendable colocar las escaleras y elevadores en las partes externas del edificio ya que tienden a actuar aisladamente ante los sismos, con concentraciones de fuerzas y torsiones difíciles de predecir sin llevar a cabo un análisis complicado.
Juntas Sísmicas
Las juntas sísmicas naturalmente tienen ocurrencia cuando una edificación se construye adyacente a otra; ya sea que forme parte o no del mismo volumen, función, y configuración estructural. Estas juntas típicamente crean una separación entre los sistemas de paredes, pisos y techos; así como acomodar y separar de manera funcional las instalaciones, ductos y otros ele mentos dentro del edificio.
Asimetría
Edificaciones con asimetría en planta, debido a la mala ubicación de los elementos resistentes, o por la presencia de tabiquerías que no se tuvieron en cuenta en el análisis y cambiaron el comportamiento de la estructura.
Efecto de Excentricidad
Las fuerzas de tracción y compresión a las que está sometida la viga durante un evento sísmico son transmitidas al nodo, produciendo grandes esfuerzos cortantes en él. Cuando la conexión entre la viga y la columna es excéntrica, es decir que el eje de la columna no está alineado al eje de la viga, los esfuerzos cortantes se concentran en un lado del nodo, por lo que se produce un efecto adicional de torsión en este. Este efecto de excentricidad produce un comportamiento que aún no se conoce con precisión, debido a la falta de estudios acerca del tema. Además es importante evitar los daños en los nodos debido a la dificultad que implicaría repararlos luego de un evento sísmico.
Conexión viga-columna excéntrica Irregularidad en elevación
Cinco diferentes tipos de irregularidad estructural vertical están definidos: Irregularidad de rigidez (piso blando); Irregularidad de peso (masa); Irregularidad vertical geométrica; Discontinuidad en el plano de los elementos verticales resistentes a las fuerzas laterales y Discontinuidad en capacidad (piso blando)., puede considerarse de que no existen irregularidades de rigidez y de peso cuando para todos los pisos, la deriva de cualquier piso es menor de 1.3 veces la deriva del piso siguiente hacia arriba. Es conveniente que no existan cambios bruscos en las dimensiones, masas, rigideces y resistencias del edificio, para evitar concentraciones de esfuerzos en determinados pisos que son débiles con respecto a los demás. Los cambios bruscos en elevación hacen también que ciertas partes del edificio se comporten como apéndices, con el riesgo de que se produzca el fenómeno de amplificación dinámica de fuerzas conocido como chicoteo
6. Estructuración de Edificios: Recomendaciones -
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El diseño de cimentación en una edificación es importante. El estudio de mecánica de suelos efectuado por el ingeniero especialista quien facilita los parámetros para el diseño simorresistente. La profundidad de cimentación y el tipo de cimentación que se realiza. Se recomienda que el arquitecto al desarrollar su labor arquitectónica del proyecto debe ser asesorado por un ingeniero estructural para fijar las dimensiones de la placa, espesores adecuados, rigidez y la configuración arquitectónica o estructural. Si se trata de un edificio, el diseño arquitectónica resulta muchas veces determinante del tipo de estructura, aunque siempre es recomendable que desde estas etapas preliminares exista una coordinación adecuada entre el proyecto arquitectónico y el diseño estructural u el de instalaciones. Es la parte estructuración, se establece la geometría general de la obra, respetando el diseño arquitectónico, se fijan los claros, la separación y altura de las columnas, se seleccionan los materiales a emplear, se eligen sistemas de piso, etc. Una estructura mal concebida presentará problemas, independientemente de que tan bien o de con que tanta precisión se hagan las etapas de análisis y dimensionamientos. Durante esta parte, es necesario hacer algunas
estimaciones preliminares del tamaño de los miembros estructurales, tanto para estimar su propio peso, que forma parte de las cargas actuantes, como para calcular sus rigideces relativas, las cuales se requieren en la parte del análisis.
7. Diseño con Perfiles de Acero: Ventajas, Recomendaciones El acero estructural puede laminarse en forma económica en una gran variedad de formas y tamaños sin cambios apreciables en sus propiedades físicas. Generalmente los miembros estructurales más convenientes son aquellos con grandes momentos de inercia en relación a sus áreas. Los perfiles I, T y C se adaptan a dicha propiedad. La designación de los perfiles de acero se realizan en general, por la forma de su sección transversal “ángulos, tes, placas), pero cabe hacer la aclaración y distinción de los perfiles S (estándar americanos) y los perfiles W (ó perfiles de patín ancho), ya que ambos tienen forma de I. La superficie interna del patín de una sección W es paralela a la superficie externa, o bien, casi paralela con una pendiente máxima de 1 a 20 en el interior, dependiendo del fabricante. Los perfiles S, que fueron los primeros perfiles laminados en Estados unidos, tienen una pendiente de 1 a 6 en el interior de sus patines. En comparación con los espesores constantes o casi constantes de los patines de los perfiles W, a diferencia de los patines de los perfiles S, facilitan mayormente las conexiones de pieza. Los perfiles W representan hoy en día casi el 50” de los perfiles
estructurales laminado en caliente.
8. Estructuración: El objetivo de la estructuración es precisar una geometría general como un todo, en sus tres dimensiones, tomando en cuenta las características formales y sus propiedades. Es necesario establecer los materiales a emplear, determinar los elementos integrales definiendo su ubicación relativa a la estructura y definir también los claros a librar y las cargas que actuarán. Asimismo, se precisan las alturas libres de los entrepisos, se proponen secciones y dimensiones tentativas de los elementos estructurales para posteriormente someter la propuesta al análisis, en el cual quedan
conceptualizadas las uniones entre ellos. La etapa final es le dimensionamiento específico de cada elemento.
9. Conexiones Para el diseñador de estructuras de acero es tan importante optimizar los perfiles a emplear como unirlos adecuadamente para que el conjunto trabaje armoniosamente. No hay estructura segura si las uniones no funcionan apropiadamente, en especial en zonas donde las cargas laterales son significativas; una demostración de ello es que en el terremoto de Northridge , 1994, en donde no se produjeron caídas de edificios de acero pero sí se notaron fallas significativas en las conexiones que pondrían en riesgo a las construcciones si hubiera otro sismo similar. Es por ello que el Instituto Americano de Construcción en Acero, AISC , emprendió un trabajo de investigación en la década pasada que se refleja en sus normas actuales. Esto significa que el diseñador en zonas símicas debe tener en mente conceptos de ductilidad que se consigue con detalles adecuados. Conexiones en armaduras
Para un mejor seguimiento veamos una Armadura convencional y su forma para explicar un procedimiento para el diseño de las conexiones.
Conexión de Continuidad
Conexiones en edificios
Detalle de conexión viga-trabe