ANÁLISIS ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL Etapas en el proceso del diseño Proceso creativo mediante mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para que cumpla unafunción unafunción determinada determinada con un grado de seguridad razonable y que en condiciones normales deservicio deservicio tenga un comportamiento adecuado. Es importante considerar ciertas restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo de ejecución así como de satisfacer determinadas exigencias estéticas. Entonces, Entonces, la solución al problema de diseño no puede obtenerse mediante un proceso matemático rígido, donde se aplique rutinariamente un determinado conjunto de reglas y formulas.
a) Etapa de estructuración Es probable la etapa mas importante del diseño estructural pues, la optimización del resultado final del diseño depende de gran medida del acierto que se haya obtenido en adoptar la estructura esqueletal mas adecuada para una edificación específica. En esta etapa de estructuración estructuración se seleccionan los materiales que van a constituir la estructura, se define el sistema estructural estructural principal y el arreglo y dimensiones preliminares de los elementos estructurales mas comunes. El objetivo debe ser el de adoptar la solución optima dentro de un conjunto de posibles opciones de estructuración. b)Estimación de las solicitaciones o acciones En esta segunda etapa del proyecto, se identifican las acciones que se consideran que van a incidir o que tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante durante su vida útil. Entre estas acciones se encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como la carga muerta, acciones variablescomo variablescomo la carga viva. Acciones accidentales como el viento y el sismo. Cuando se sabe de antemano que en el diseño se tienen que considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en base a la experiencia la estructuración mas adecuada para absorber dichas acciones.
c) Análisis estructural Procedimiento que lleva la determinación de la respuesta del sistema estructural ante la solicitación de las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La respuesta de una estructura o de un elemento es su comportamiento bajo una acción determinada; está en función de sus propias características y puede expresarse en función de deformaciones, agrietamiento, agrietamiento, vibraciones, esfuerzos, reacciones, etc.
Para obtener dicha respuesta requerimos considerar los siguientes aspectos: Idealización de la estructura. Seleccionar un modelo teórico y analítico factible de ser analizado con los procedimientos de calculo disponible. La selección del modelo analítico de la estructura puede estar integrado de las siguientes partes: I.- Modelo geométrico. Esquema que representa las principales características geométricas de la estructura. II.- Modelo de las condiciones de continuidad en las fronteras. Debe establecerse como cada elemento esta conectado a sus adyacentes y cuales son las condiciones de apoyo de la estructura. III.- Modelo del comportamiento de los materiales. Debe suponerse una relación acción respuesta o esfuerzo - deformación del material que compone la estructura. IV.- Modelo de las acciones impuestas. Las acciones que afectan la estructura para una condición dada de funcionamiento se representan por fuerzas o deformaciones impuestas. Determinar las acciones de diseño En muchas situaciones las cargas y otras acciones que introducen esfuerzos en la estructura están definidos por los reglamentos de las construcciones y es obligación del proyectista sujetarse a ellos. Determinar la respuesta de las acciones de diseño en el modelo elegido para la estructura. Es necesario obtener los elementos mecánicos y los desplazamientos en el sistema estructural. Dimensionamiento En esta etapa se define a detalle la estructura y se revisa si se cumple con los requisitos de seguridad adoptados.
2. Conceptos Fundamentales La principal función de un sistema estructural es la de absorber las acciones o solicitaciones que se derivan del funcionamiento de la construcción. Acciones: Son todos los agentes externos que inducen en la estructura fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones.
Respuestas: Se representa por un conjunto de parámetros físicos que describen el comportamiento de la estructura ante las acciones que le son aplicadas. Estado límite: Es cualquier etapa en el comportamiento de la estructura a partir de la cual su respuesta se considera inaceptable. Tipos de estados limite Estado límite de falla Son los que se relacionan con la seguridad y corresponden a situaciones en que la estructura sufre una falla total o parcial o que presenta daños que afectan su capacidad para resistir nuevas acciones. Estado límite de servicio Son los que se asocian con la afectación del correcto funcionamiento de la construcción y comprenden deflexiones, agrietamientos y vibraciones excesivas. Resistencia: Es la intensidad de una acción hipotética que conduce a la estructura o alguna sección a un estado límite de falla. Por ejemplo, la resistencia a flexión será el momento máximo que es capaz de resistir la sección.
3. Métodos del diseño estructural Diseño por medio de modelos Se recomienda en el diseño de elementos estructurales de forma muy compleja que no son fáciles de analizar por medio de los modelos matemáticosusuales. Método de los esfuerzos de trabajo o de esfuerzos permisibles o teoría elástica Los elementos mecánicos producidos en los distintos elementos por las solicitaciones de servicio o de trabajo se calculan por medio de un análisis elástico. Se determinan después los esfuerzos en las distintas secciones debido a los elementos mecánicos, por métodos también basados en hipótesiselásticas. Los esfuerzos de trabajo así calculados, deben mantenerse por debajo de ciertos esfuerzos permisibles que se consideran aceptables, elmétodo es razonable en estructuras de materiales con un comportamiento esencialmente elástico. Método de la resistencia o método de factores de carga y de reducción de resistencia o teoría plástica
Los elementos mecánicos se determinan por medio de un análisis elástico-lineal. Las secciones se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sean igual a dichas acciones multiplicadas por factores de carga, de acuerdo con el grado de seguridad deseado o especificado. La resistencia de la sección se determina prácticamente en la falla o en s u plastificación completa. Métodos basados en el análisis al limite En este criterio se determinan los elementos mecánicos correspondientes a la resistencia de colapso de la estructura. (Formación de suficientesarticulaciones plásticas para llegar a la falla total de la estructura). Se hace un análisis estructural plástico. Métodos probabilisticos Las solicitaciones que actúan sobre las estructuras, así como las resistencias de estas son cantidades en realidad de naturaleza aleatoria, que no pueden calcularse por métodos deterministicos como se supone en los criterios de diseño anteriores. Esto nos conduce a pensar en métodos basados en la teoría de las probabilidades. Las principales limitaciones que se tienen en la actualidad son que no se tiene suficiente información sobre las variaciones tanto de las solicitaciones que deben de considerarse como la resistencia de los materiales y de las estructuras construidas con ellos.
4. Acciones y sus efectos sobre los sistemas estructurales Clasificación: Atendiendo los conceptos de seguridad estructural y de los criterios de diseño, la clasificación mas racional de las acciones se hace en base a la variación de su intensidad con el tiempo. Se distinguen así los siguientes tipos de acciones: Acciones permanentes. Son las que actúan en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad pude considerarse que no varía con el tiempo. Pertenecen a este grupo las siguientes. 1.- Cargas muertas debidas al propio peso de la estructura y al de los elementos no estructurales de la construcción 2.- Empujes estáticos de líquidos y tierras 3.- Deformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto del pre-esfuerzo y a
movimientos diferenciales permanentes en los apoyos 4.- Contracción por fraguado del concreto, flujo plástico del concreto, etc. Acciones variables. Son aquellas que inciden sobre la estructura con una intensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores importantes durante lapsos grandes Se pueden considerar las siguientes: 1.- Cargas vivas, o sea aquellas que se deben al funcionamiento propio de la construcción y que no tienen carácter permanente 2.- Cambios de temperaturas 3.- Cambios volumétricos Acciones accidentales. Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la construcción y que puede tomar valores significativos solo durante algunos minutos o segundos, a lo mas horas en toda la vida útil de la estructura. Se consideran las siguientes 1.-Sismos 2.-Vientos 3.-Oleajes 4.-Explosiones Para evaluar el efecto de las acciones sobre la estructura requerimos modelar dichas acciones como fuerzas concentradas, lineales o uniformemente distribuidas. Si la acción es de carácter dinámico podemos proponer un sistema de fuerzas equivalentes o una excitación propiamente dinámica.
SISTEMA TRADICIONAL APORTICADO -Los elementos porticados, son estructuras de concreto armado con lamisma dosificación columnas -vigas peraltadas, o chatas unidas enzonas de c onfinamiento donde forman Angulo de 90º en el fondoparte superior y lados laterales, es el sistema de los edificiosporticados. Los que soportan las cargas muertas, las ondas sísmicaspor estar unidas como su nombre lo indica-El porticado o tradicional consiste en el uso de columnas, losas ymuros divisorios en ladrillo.
CARACTERISTICAS - Es el sistema de construcción más difundido en nuestro país y elmás antiguo. Basa su éxito en la solidez, la nobleza y la durabilidad.Un sistema aporticado es aquel cuyos elementos estructuralesprincipales consisten en vigas y columnas conectados a través denudos formando pórticos resistentes en las dos direccionesprincipales de análisis (x e y).
INTRODUCCIÓN AL COMPORTAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS Generalidades La finalidad del análisis global de pórticos es obtener la distribución de los esfuerzos y los correspondientes desplazamientos de la estructura sometida a una carga dada. Para conseguir este propósito es necesario adoptar modelos adecuados, basados en varias suposiciones que incluyen tanto el comportamiento geométrico de la estructura y sus elementos como el comportamiento de las secciones y las uniones. Una vez calculados los esfuerzos y los desplazamientos, es necesario realizar varias comprobaciones en la estructura y en sus componentes (elementos y uniones). Estas comprobaciones dependen del tipo de análisis realizado y del tipo de verificación de las secciones (es decir, el criterio de estado límite último) adoptado. En general la comprobación ante cada EL se realiza en dos fases: determinación de los efectos de las acciones (esfuerzos y desplazamientos de la estructura) y comparación con los correspondientes estados límites. Son admisibles los siguientes procedimientos: 1) Los basados en métodos incrementales que, en régimen no lineal, adecuen las características elásticas de secciones y piezas al nivel de esfuerzos actuantes. 2) Los que se basan en métodos de cálculo en capacidad. Por ejemplo para el dimensionado de las uniones se puede partir no de los esfuerzos del análisis global sino de los máximos esfuerzos que les transmitan las piezas a conectar.
Concepto estructural La forma de la estructura debe basarse en las funciones que vaya a desempeñar. Se precisa clasificar los elementos estructurales en categorías: 1. Elementos principales: incluyendo los pórticos principales, sus uniones y sus cimentaciones, que constituyen la vía para transmitir las c argas horizontales y verticales que actúan sobre el edificio al terreno.
2.
Elementos secundarios: como vigas secundarias o correas, que transmiten las
cargas a los elementos principales. 3.
Otros elementos: elementos que sólo transmiten cargas a los elementos principales o secundarios. Por ejemplo, cierres, cubiertas, tabiques divisorios, etc.
4. En los casos donde las tres categorías de elementos estén sujetas a diferentes requisitos de seguridad, deberán modelizarse de forma separada si fuera necesario.
Comportamiento espacial Una alternativa al análisis de la estructura principal como un pórtico tridimensional puede ser el análisis como dos series de pórticos planos independientes trabajando en dos direcciones horizontales perpendiculares entre sí, como se muestra en la figura, siempre que cada pórtico plano tenga suficiente arriostramiento en dirección transversal al propio plano para asegurar su estabilidad lateral.
MODELOS DE COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL Hipótesis El análisis se lleva a cabo de acuerdo con hipótesis simplificadoras mediante modelos, congruentes entre sí, adecuados al estado límite a comprobar y de diferente nivel de detalle, que permitan obtener esfuerzos y desplazamientos en las piezas de la estructura y en sus uniones entre sí y con los cimientos. Se tendrá en cuenta que: 1. Los elementos y uniones deben ser modelizados para el análisis global de forma que reproduzcan propiamente el comportamiento previsto bajo la carga pertinente. 2. La geometría básica del pórtico debe ser representada por los ejes de las piezas. 3. En general es suficiente representar las piezas mediante elementos lineales situados en sus ejes, sin tener en cuenta el solapamiento debido al ancho real de las piezas. 4. Alternativamente, se puede considerar en los nudos el ancho de todas o algunas piezas que confluyan. En las comprobaciones frente a ELS se utilizarán normalmente modelos elásticos y lineales. Para los ELU se podrán emplear modelos elásticos o cualquier procedimiento que dé como resultado un conjunto de esfuerzos en equilibrio con las acciones consideradas para la clase de sección transversal que se disponga en las piezas. En todos los casos es necesario considerar el efecto de las posibles no linealidades de
tipo geométrico o de otro tipo.
Modelos de piezas 1. La piezas de acero se representarán mediante modelos uni o bidimensionales de acuerdo a sus dimensiones relativas. Si la relación entre las dos dimensiones fundamentales de la pieza es ≤ 2, deberán usarse modelos bidimensionales.
2. Las luces de cálculo de las piezas unidimensionales serán las distancias entre ejes de enlace. En piezas formando parte de entramados o pórticos estos ejes coinciden con las intersecciones de la directriz de la pieza con las de las adyacentes. En piezas embutidas en apoyos rígidos de dimensión importante en relación con su canto, puede situarse idealmente el eje en el interior del apoyo a medio canto de distancia respecto del borde libre. 3. En el análisis global de la estructura las piezas se representarán considerando sus secciones brutas, salvo en secciones de clase 4. 4. La rigidez en torsión de las piezas puede ser ignorada en el análisis en los casos en que no resulte imprescindible para el equilibrio.
Modelos de uniones 1. Los modelos de enlace entre dos o más piezas deben representar adecuadamente la geometría, la resistencia y la rigidez de la unión. 2. Según su resistencia, las uniones pueden ser articulaciones, de resistencia total o de resistencia parcial. 3. Según su rigidez, las uniones pueden ser articuladas, rígidas o semirrígidas, según que su rigidez a la rotación sea nula, total o intermedia. 4. Los métodos de análisis global utilizados y las hipótesis adoptadas respecto al comportamiento de las uniones deben ser coherentes. De modo que cuando se lleve
a cabo un análisis global elástico se considerará el comportamiento de la unión solo en función de su rigidez. Si se realiza un análisis global elastoplástico se deberá considerar el comportamiento de la unión según su resistencia y rigidez y en caso de llevar a cabo un análisis global rígido-plástico, para modelar el comportamiento de las uniones bastará considerar su resistencia. 5. Las uniones semirrígidas entre cada dos barras se podrán modelar como un resorte que une los ejes de las barras que concurren en el nudo.
IMPERFECCIONES A CONSIDERAR EN EL ANÁLISIS Cuando la rigidez de la estructura frente a las acciones horizontales no esté garantizada será necesario llevar a cabo un análisis en 2º orden que tenga en cuenta su deformación y la influencia de ésta en los esfuerzos, en lugar del simple análisis en primer orden que considera la estructura en su posición inicial (sin influencia de las deformaciones). Además el análisis de 2º orden de las estructuras reales debe considerar los efectos de las tensiones residuales sobre la respuesta no lineal de los materiales, las inevitables imperfecciones geométricas, las excentricidades y los defectos de fabricación y montaje En general, estos efectos se incorporan en los análisis estructurales adoptando unas imperfecciones geométricas equivalentes. Concretamente se deben considerar: 1. Imperfecciones globales de la estructura en el análisis global de estructuras. 2. Imperfecciones en el análisis de los sistemas de arriostramiento. 3. Imperfecciones en el análisis local de los elementos aislados. Estas imperfecciones serán incluidas en los análisis estructurales para el control de los ELU, no afectando, en cambio, a los controles de los ELS. El uso de imperfecciones geométricas equivalentes permite, en la mayoría de los casos, resolver con suficiente aproximación el problema de la inestabilidad global de estructuras y/o elementos, sin
recurrir al método general de análisis no lineal en teoría de 2º orden. Si se considera más conveniente, las imperfecciones geométricas equivalentes pueden sustituirse por fuerzas equivalentes, transversales a la directriz de los elementos comprimidos. Imperfecciones en el análisis global de la estructura La geometría del modelo de cálculo deberá ser el resultado de incorporar a la geometría teórica de la estructura, las imperfecciones geométricas equivalentes, establecidas de forma que produzcan los efectos más desfavorables. En general, es necesario estudiar la posibilidad de pandeo global de la estructura en su plano y fuera de él, aunque de forma no simultánea. Además En aquellas estructuras de baja rigidez global torsional será, asimismo, necesario controlar la posibilidad de un pandeo generalizado por torsión, antimétrico, como consecuencia de aplicar las imperfecciones en sentido contrario sobre dos caras opuestas de la estructura
VENTAJAS - El sistema porticado tiene la ventaja al permitir ejecutar todas lasmodificaciones que se quieran al interior de la vivienda, ya que en éllos muros, al no soportar peso, tienen la posibilidad de moverse.- Sistema porticado posee la versatilidad que se logra en los espaciosy que implica el uso del ladrillo. "La gente sigue queriendo el ladrillo",se comenta, y se añade que este material aísla más el ruido de unespacio a otro.- El sistema porticado por la utilización muros de ladrillo y éstos serhuecos y tener una especie de cámara de aire, el calor que trasmitenal interior de la vivienda es mucho poco.
DESVENTAJAS
- Este tipo de construcción húmeda es lenta, pesada y porconsiguiente más cara. Obliga a realizar marcha y contramarcha enlos trabajos .Ejemplo. Se construye la pared y luego se pica parte del muro parahacer las regatas de las tuberías) SISTEMA DUAL (PORTICOS RIGIDOS)
Es un sistema mixto de pórticos reforzados por muros de carga o diagonales de arriostramiento. En este sistema los muros tienden a tomar una mayor proporción de los esfuerzos en los niveles inferiores, mientras que los pórticos pueden disipar energía en los niveles superiores.
Figura 1 _ Distintos sistemas duales.
Figura 2 _ Edificación son arriostramientos laterales. Se genera una estructura con una resistencia y rigidez lateral sustancialmente mayor al sistema de pórticos, lo cual lo hace muy eficiente para resistir fuerzas sísmicas. Y siempre y cuando haya una buena distribución de los elementos rígidos, también se puede obtener las ventajas del sistema aporticado, en cuando a su ductilidad y distribución de espacios internos. Se debe ser muy cuidadoso al momento de diseñar el sistema, ya que la interacción entre el sistema aporticado y el de muros es compleja. El comportamiento de un muro esbelto es como el de una viga de gran altura en voladizo, y el problema de interacción se origina porque el comportamiento que tendría un sistema aporticado sería muy distinto al de un muro de concreto.
Como se puede apreciar en la figura 2.90, en los pisos inferiores la rigidez del muro es muy alta, por lo que se restringe prácticamente el desplazamiento, mientras que en los pisos superiores el muro en vez colaborar a resistir lar cargas laterales, termina incrementando las fuerzas que los pórticos deben resistir. Es por esto que se deben tener consideraciones muy puntuales con el diseño del muro, intentando propinarle un gran momento de i nercia para no producir grandes desplazamientos.
Figura 3 _ Interacción de fuerzas entre pórticos y muros
Es muy común, sobretodo en la vieja práctica, que cuando se diseñan estructuras duales se supone que los muros resisten todas las fuerzas laterales y el sistema aporticado todas las gravitacionales. Esta suposición arroja un error despreciable en estructuras de alturas moderadas, aproximadamente 20 pisos, pero para edificios de alturas mayores se incurre a un sobredimensionamiento de la estructura, ya que se desperdicia buena parte de la resistencia de ambos sistemas. Aunque la Norma COVENIN 1753-2001 en el subcapítulo 6.3 especifica que para estructuras duales, el pórtico debe resistir al menos el 25% de las cargas laterales. El problema que posee este sistema estructural es que hay que ser muy cuidadoso en cuanto a la configuración de los elementos rígidos, ya que tienen una extrema diferencia de rigidez comparado a los pórticos y esto puede causar concentraciones excesivas de esfuerzos en algunas zonas del edificio y una mala distribución de cargas hacia las fundaciones.
RECOMENDACIONES
Distribuir de manera uniforme y simétrica los elementos rígidos en la planta intentando evitar la obstrucción al uso del espacio interno del edificio.
Es preferible no concentrar los elementos rígidos y resistentes cercanos al centro de masa ya que son menos efectivos para resistir torsión y las columnas de la periferia serán más susceptibles al cortante por torsión. Si estos elementos son ubicados en la periferia de la estructura de forma simétrica su efectividad se incrementará considerablemente.
Para lograr un diseño económico y estructuralmente óptimo se debe considerar la interacción del sistema aporticado y de muros para resistir todas las solicitaciones. De esta forma se reducen los momentos flectores en los muros, debido a la participación de los pórticos, y se mejora el desempeño de estos si se diseña considerando su aporte para resistir cargas gravitacionales, ya que las cargas gravitacionales pueden compensar los momentos volcantes debidos a las cargas laterales.
Se debe verificar que los esfuerzos transmitidos por los muros al suelo no sobrepasen su capacidad portante, esto se puede lograr aumentando la cuantía de muros en planta o aumentando el espesor de estos.
