Elementos estructurales básicos

LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES BÁSICOS
Elementos lineales
Los elementos más sencillos que pueden identificarse en una estructura son
aquellos que se modelan como líneas, o sea, que tienen una de sus dimensiones
mucho mayor que las otras dos.
Elementos de este tipo sujetos a tensión lo son los tirantes, contravientos y cables,
los cuales se trabajan obviamente en acero por su alta resistencia y por la relativa
facilidad de ser anclado. Por su parte, el poste es el elemento de barra sujeto a
compresión axial. Su denominación más común de columna es más apropiada
cuando está sujeto a condiciones de carga más complejas que incluyen flexión.
Cuando el poste es inclinado recibe el nombre de puntal. El estado de compresión
perfectamente axial es meramente ideal en las estructuras ya que, por las
condiciones de continuidad o imperfección, siempre se presentan excentricidades
accidentales de la carga aplicada, las cuales dan lugar a que esta se presente
acompañada de flexión. En el poste el problema de apoyo es de importancia
marginal, ya que su reacción puede transmitirse por apoyo directo sobre otro
elemento estructural. El estado de compresión lleva como característica
fundamental la posibilidad de pandeo.
Una barra sujeta a cargas normales a su eje es una viga, aunque este nombre se
le asigna comúnmente sólo cuando la barra es horizontal.
En esta fotografía se pueden
apreciar elementos estructurales
lineales o unidimensionales en el
caso de las columnas. Éstas
trabajan, como ya se mencionó, a
una combinación de cargas de
compresión y de flexión. Las cargas
se transmiten consecutivamente de
las columnas superiores a las
inferiores y, finalmente, éstas lo
hacen a los apoyos que se
encuentran en el suelo.
En esta imagen se observa una estructura esqueletal formada por marcos rígidos
de acero formados por elementos de barra. Estos elementos son de nuevo las
columnas y además podemos notar claramente las vigas que junto con las
columnas forman los marcos. Las vigas resisten y transmiten a sus apoyos las
cargas por medio de flexión y cortante. La variación de esfuerzos normales a lo
largo de la sección define una resultante de compresión y una de tensión que
deben ser iguales, ya que la carga axial externa es nula. La magnitud del
momento máximo que puede resistir la sección está definida por la magnitud de
las resultantes de los esfuerzos internos que pueden desarrollarse y del brazo de
palanca de dichas fuerzas.
Si observamos la sección que en este caso tienen las vigas, nos daremos cuenta
de que se trata de secciones en I, ya que ésta formación aumenta la eficiencia
de la sección por el hecho de que incrementa el área en la zona donde los
esfuerzos debidos a tensión y a compresión son los máximos.
En la imagen de la izquierda encontramos
en la parte baja del edificio el equivalente
del cable colgante para esfuerzos de
compresión que es el arco. Se trata de una
estructura rígida que transmite las cargas a
los apoyos por compresión pura si su forma
corresponde exactamente al funicular de
las cargas aplicadas. Las reacciones en
sus apoyos pueden tener un a componente
horizontal si el estado de compresión pura
no se logra. A esta reacción se le llama
coceo e introduce problemas al resto de la
estructura, especialmente cuando el arco
es elevado.
Elementos planos
Un grupo importante de elementos estructurales básicos se caracteriza por tener
una dimensión muy pequeña con respecto a las otras dos y una superficie media
plana. Estos elementos se identifican con el nombre genérico de placas, aunque
adquieren nombres más específicos según la función estructural principal que
desempeñan.
Las placas sujetas a cargas normales a su plano y apoyadas en sus bordes son
típicas de los sistemas de piso y techo, aunque cumplen un gran número de otras
funciones en diferentes estructuras. Cuando son de concreto o de piedra o de
construcción compuesta con estos materiales, se denominan losas.
La flexión es la fuerza dominante en las placas con cargas normales a su plano.
La fuerza cortante rara vez llega a regir su diseño.
Por ser elementos de pequeño espesor y que trabajan a flexión, las losas sufren
deformaciones importantes bajo carga, de manera que, la limitación de flecha y
vibración en condiciones de servicio es el aspecto que rige normalmente el
espesor de las placas.
El muro o pared es una placa vertical en que predominan generalmente las cargas
verticales que están distribuidas de manera uniforme en toda la longitud del muro
por medio de un sistema de piso. Por ello es aceptable aislar una longitud unitaria
de muro y diseñarla como una columna. El concreto y la mampostería son los
materiales clásicos para muros.
El muro o panel sujeto a cargas laterales en su plano es un elemento común en
edificios y en estructuras tipo cajón en donde se aprovecha la gran rigidez lateral
que estos elementos tienen por su considerable peralte, para limitar las
deflexiones horizontales de la estructura.
En esta imagen tenemos un ejemplo claro
de elementos planos o bidimensionales
que son los muros. En este caso los muros
son de la modalidad muro diafragma y
trabajan como elemento de rigidización
ante cargas en el plano de la estructura,
debido a las cuales va a estar sujeto a un
estado de cortante en el plano. Su función
es equivalente a la de diagonales de
arriostramiento.
En la imagen anterior se muestran tanto elementos de barra como planos y su
interesante interacción. Como elementos lineales tenemos las columnas, las
cuales ya hemos discutido previamente y además vigas principales y secundarias.
Las vigas secundarias en este caso se llaman vigas de acero de alma abierta o de
secciones de lámina doblada. Éstas proporcionan en general soluciones más
ligeras y económicas que los perfiles laminados y que otras vigas de alma llena,
aunque dan lugar a un comportamiento menos dúctil. Existen diversas variantes
que pretenden simplificar la cimbra y la construcción de la losa. En la estructura
mostrada en la fotografía usa una lámina de acero corrugada apoyada sobre las
vigas, como cimbra de losa de concreto; las láminas tienen corrugaciones en las
cuales penetra el concreto produciendo un anclaje mecánico. De esta manera la
lámina, de acero de alta resistencia, trabaja en tensión eliminando o reduciendo la
necesidad de refuerzo en el lecho inferior. El sistema es indicado para pisos que
deben soportar cargas elevadas.
En el sistema de la foto, la armadura y la lámina corrugada de acero se conectan
en taller para que esta última funcione como cuerda de compresión de la
armadura en el periodo de construcción. Recibido el concreto sin necesidad de
cimbra, los tres elementos trabajan como una sola unidad que puede soportar
cargas considerables.
En el medio y el fondo de la toma encontramos unos elementos unidimensionales
que se denominan diagonales de contraventeo o contravientos que son altamente
rígidos y se utilizan para superar la excesiva flexibilidad ante cargas laterales que
tienen como limitación los marcos rígidos.
En la estructura de la última imagen se puede apreciar otro tipo de losas. Estas
losas son aligeradas, lo cual se consigue formando huecos por medio de
elementos removibles o que quedan formando parte de la losa, llamada en este
caso losa reticular. Se general una retícula de nervaduras poco espaciadas en las
que se concentra el refuerzo de flexión. Problemas específicos de estas losas son
el diseño por cortante de las zonas alrededor de las columnas para evitar la falla
por punzonamiento. Para evitarla, se construyen capiteles y ábacos que ayudan a
reducir los esfuerzos por cortante justo en las zonas donde las columnas se unen
con las losas.
Los huecos que se forman por la retícula se rellenan finalmente con poli estireno
para poderle dar a la losa un peralte y acabado finales.
Otra variedad de muro es la que
se muestra en esta estructura de
cajón. Se trata de las placas que
aparecen al costado derecho del
edificio, a las cuales se les
conoce como muros de rigidez.
La función principal de este tipo
de elementos es la de rigidizar y
resistir cargas laterales en su
plano, pero como este tipo de
muros, a diferencia del muro
diafragma, no se encuentra
enmarcado en un sistema
estructural que absorba las
cargas axiales y la flexión, tendrá
que ser él mismo el que resista dichos esfuerzos, además de esfuerzos cortantes.
En otra toma de la obra anterior
se puede ver la estructura que
se arma entre las dos torres con
el fin de lograr un acoplamiento
de los dos edificios de manera
que se aumente la rigidez de la
construcción y así se restrinjan
los movimientos en el plano, y se
reduzcan los giros de los muros.
Ahora tenemos un elemento de superficie curva que
podría idealizarse como una superficie que se forma
por la rotación de un semicírculo plano sobre un eje
vertical. Una superficie de este tipo se puede
visualizar como formada por meridianos que
transmiten por compresión las cargas hacia los
apoyos y por paralelos que restringen la
deformación transversal de los meridianos,
trabajando a tensión en algunas zonas y a
compresión en otras.
Para soportar dichos esfuerzos, para este caso se
usaron armaduras conectadas entre si para formar
el cascarón y posteriormente los huecos que
quedan se tapan con cubiertas muy delgadas,
logrando al final una estructura sumamente ligera
que abarca un claro considerable.
Así como existen elementos estructurales
unidimensionales y bidimensionales,
también podemos encontrar, aunque no
tan fácilmente, elementos en donde cada
una de sus dimensiones es del mismo
orden de magnitud. En la fotografía se
muestra
una
zapata
que
como
cimentación tendrá la función de
transmitir la carga de la estructura al
suelo, ésta deberá resistir las altas
concentraciones de cargas impuestas por
las columnas y el suelo mismo.
Referencias
Las fotografías que se muestran en este trabajo fueron tomadas unas durante la
construcción del Campus Puebla del Instituto Tecnológico y de Estudios
Superiores de Monterrey ubicado en la vía Atlixcáyotl 2301 y otras durante la
construcción del hotel Holiday Inn Express que se encuentra en el Boulevard
Hermanos Serdán no. 45 Col. Amor en Puebla, Pue.
Las fotos del aviario del parque ecológico de esta ciudad y del Palacio Municipal
fueron tomadas de
www.puebladelosangeles.gob.mx
Referencias bibliográficas de :
Meli Piralla, Roberto. Diseño Estructural, 2da. Ed. México, D.F.: Editorial
Limusa, 2001.