Proyecto básico: Selección de estructuras económicas

Proyecto básico: Selección de estructuras económicas para edificios de acero y
edificios mixtos, de baja a media altura
SS047a-ES-EU
Proyecto básico: Selección de estructuras económicas
para edificios de acero y edificios mixtos, de baja a media
altura
Este documento presenta y define los principales conceptos de estructuras de edificios de
acero y edificios mixtos de varias plantas. Presenta alternativas principales para el
proyectista y proporciona una guía para realizar una elección económica en un proyecto
específico.
Índice
1.
Introducción
2
2.
Alcance
2
3.
Conceptos principales, definiciones e importancia para el diseño
2
4.
Elección entre construcción simple o continua
7
5.
Guía para una selección económica de una estructura para un edificio específico
7
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edificios mixtos, de baja a media altura
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1.
Introducción
Para diseñar estructuras de edificios de acero de baja a media altura, es posible elegir una
amplia gama de soluciones estructurales.
En la norma EN 1993-1-1, existen diferentes opciones para el tratamiento de:
‰ Resistencia a cargas laterales
‰ Variaciones en rigidez lateral
‰ Tratamiento de imperfecciones, tanto globales como locales
‰ Uso de construcción simple (con vigas articuladas), semicontinua o continua.
Por consiguiente, EN 1993-1-1 proporciona un tratamiento exhaustivo de una amplia variedad
de estructuras. La variedad resultante de enfoques puede resultar confusa a todos, menos a los
proyectistas en acero con mayor experiencia.
Por consiguiente, este documento busca proporcionar un rango limitado de enfoques
simplificados, tanto para la selección del tipo de estructura como para el método de análisis.
Estos métodos proporcionarán una solución segura en la gran mayoría de casos, y también
conducirán a la solución más económica.
Debe destacarse que casi todas las estructuras de varias plantas, son estructuras
tridimensionales con distribuciones ortogonales en planta, es decir con vigas primarias y
secundarias en dos direcciones a 90o. Es necesario analizar en las dos direcciones principales
y por separado, la resistencia a fuerzas horizontales y la obtención de una estabilidad lateral
adecuada. Pueden existir soluciones diferentes y adecuadas en las dos direcciones.
2.
Alcance
Esta guía tiene como objetivo edificios de varias plantas de baja a media altura, para todos los
tipos de uso, pero principalmente edificios comerciales y residenciales.
Los edificios de baja a media altura están definidos como aquellos en que las exigencias para
resistir cargas horizontales y la obtención de una adecuada estabilidad lateral, no tienen mayor
impacto en la forma estructural. Para edificios con proporciones normales en regiones no
sísmicas, el límite superior puede tomarse como de 10 plantas.
3.
Conceptos principales, definiciones e
importancia para el diseño
3.1
Estructuras arriostradas y no arriostradas
Como se muestra en la Figura 3.1, una estructura arriostrada resiste las acciones
horizontales por uno de los dos siguientes medios:
‰ Conexión de la estructura de acero a un núcleo rígido de hormigón, el que generalmente
se utiliza para ascensores, servicios verticales y escaleras
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‰ El uso de arriostramientos para resistir acciones horizontales.
1
2
(a)
Leyenda:
1
Muros de hormigón del núcleo de servicio
2
Puerta
(b)
(c)
Figura 3.1
Tipos de estructuras arriostradas:
(a) Núcleo rígido de hormigón, (b) Arriostramiento en V invertida, (c) Formas
diferentes de arriostramientos triangulares
Cuando el arriostramiento en cruz es inaceptable para el uso del edificio, puede reemplazarse
por arriostramientos en la forma de estructuras estabilizadoras.
Como se muestra en la Figura 3.2, para que el núcleo rígido o los vanos arriostrados trabajen
efectivamente, se necesitan ubicar más o menos simétricamente con respecto a la distribución
en planta del edificio. Cuando el edificio está separado en secciones por juntas de dilatación,
cada sección debería considerarse como un edificio independiente. Los forjados actúan como
diafragmas, que transfieren todas las acciones horizontales a los núcleos rígidos o paños
arriostrados.
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A
2
1
A
A-A
1
Leyenda:
1.
Núcleo de muros de hormigón
2.
Puertas
(a)
(b)
(c)
Figura 3.2
Ubicación efectiva de ejes resistentes a fuerzas laterales:
(a) Núcleo de hormigón que encierra escaleras, ascensores, conducciones de servicio, etc.,
(b) Núcleo rígido de paneles arriostrados en cruz de San Andrés, (c) Paneles rígidos no
agrupados como un núcleo
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Como se muestra en la Figura 3.3, las estructuras no arriostradas resisten las acciones
horizontales mediante momentos de flexión y fuerzas cortantes en vigas y pilares. Es
importante resaltar que los momentos provenientes de acciones laterales son mayores en las
vigas que en los pilares. Evidentemente, las conexiones en tales estructuras deben ser capaces
de transferir momentos importantes entre vigas y pilares.
Figura 3.3
Momentos de flexión en vigas y pilares correspondiente a fuerzas horizontales en un
edificio de varias plantas, de un solo paño, no arriostrado.
Esta acción de estructura puede ser:
‰ Distribuida entre todos las estructuras paralelos en el edificio, véase la Sección 5.3 para
mayores detalles.
‰ Concentrada en ‘estructuras estabilizadores’, véase la Sección 5.4 para mayores detalles.
3.2
Rigidez lateral de estructuras
En EN 1993-1-1 §5.2, la rigidez lateral de una estructura afecta el análisis. Se puede utilizar el
análisis de primer orden para estructuras que satisfacen los requerimientos de rigidez de
EN 1993-1-1 §5.2. En SF015a-ES-EU se da un procedimiento de diseño para hacer un
análisis de primer orden. Se debe considerar el efecto de las deformaciones en todos los
demás estructuras. Se dan procedimientos de diseño en SF002a-ES-EU. Aunque todos las
estructuras tienen algún grado de desplazamiento lateral, generalmente se clasifican en
estructuras no arriostradas y estructuras arriostradas, dependiendo de la magnitud de los
efectos de las deformaciones.
‰ Los efectos de la geometría deformada (efectos de segundo orden) deben incluirse en el
análisis de estructuras con desplazamiento lateral.
‰ Es probable que una estructura que está arriostrado débilmente, se comporte como una
estructura con desplazamiento lateral.
3.3
Construcción simple, semicontinua y continua
Esta clasificación de los tipos de construcción está basada en los tipos de unión viga a pilar,
como se ilustra en la Figura 3.4.
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(a)
(b)
(c)
Figura 3.4
Tipos de unión viga a pilar:
(a) nominalmente articulada, (b) semirígida, (c) rígida
En la construcción simple (en la cual las uniones de viga a columna son nominalmente
articuladas), las uniones viga columna, sólo transmiten fuerza cortante desde los extremos de
la viga a los pilares. Las proporciones de las uniones deben permitir suficiente rotación en el
extremo de las vigas, para que sean diseñadas con seguridad como simplemente apoyadas.
En la construcción semicontinua, las uniones semirígidas viga-pilar, transmiten
adicionalmente, momentos de flexión significativos desde los extremos de las vigas a los
pilares. Sin embargo, la rotación local de la unión asociada con estos momentos, es
suficientemente grande, tal que puede influir en la distribución de momentos en toda la
estructura. El análisis global de la construcción semirígida requiere un modelo apropiado del
comportamiento de la unión, por lo cual es complejo.
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En la construcción continua las uniones viga-pilar son efectivamente rígidas. No se necesita
tener en cuenta las rotaciones de las uniones en el análisis global. Estas deben diseñarse para
transmitir los momentos y fuerzas cortantes totales en los extremos de las vigas a los pilares.
3.4
Imperfecciones
Como se vio en el artículo §5.3 de EN 1993-1-1, los efectos de las imperfecciones
equivalentes, incluyendo los efectos de las tensiones residuales e imperfecciones geométricas,
deben considerarse en el análisis y diseño de estructuras de acero de varias plantas.
En muchas estructuras reales, las imperfecciones globales, se consideran con mayor
efectividad, reemplazándolas con sistemas o fuerzas horizontales equivalentes, tal como se
trató en EN 1993-1-1 §5.3.2(7). Véase SN047 para una guía detallada sobre imperfecciones y
SF007 para el diseño de arriostramiento vertical.
Las imperfecciones de los elementos se contemplan dentro de la resistencia a pandeo de los
mismos, EN1993-1-1 §5.3.4(1).
4.
Elección entre construcción simple o continua
Para estructuras no arriostradas, la estabilidad lateral sólo puede lograrse mediante la
acción de estructura. Por consiguiente, es necesario utilizar la construcción continua. (El uso
de construcción semi-continua para proporcionar estabilidad lateral es complejo y está más
allá del alcance de este documento). Como se observó en 3.1 anteriormente, la construcción
continua puede hacerse en todos las estructuras o puede concentrarse en ‘estructuras
estabilizadoras’ discretos, utilizando construcción simple en los todas las demás estructuras.
Para estructuras arriostradas, el proyectista puede elegir entre construcción simple o
continua, por razones económicas, para ahorro de costes en la construcción.
1.
Cuando el estado tensional de la estructura gobierna el diseño, la construcción simple
debería adoptarse siempre.
2.
Cuando la rigidez (condiciones de servicio) gobierna el diseño, se puede lograr aún un
mayor ahorro con la construcción simple. Sin embargo, si existen limitaciones severas
para el canto de la viga, pueden haber ventajas al considerar la construcción continua. Se
recomienda que se desarrollen esquemas alternativos, discutidos con el contratista de los
trabajos en acero y que se haga un análisis de costes antes de la elección final.
5.
Guía para una selección económica de una
estructura para un edificio específico
Las alternativas disponibles para el proyectista, se presentan en orden ascendente de
complejidad y generalmente, en orden descendente de economía, es decir la más sencilla y
más económica en primer lugar.
Cada dirección principal de la distribución en planta de pilares debe considerarse
separadamente. Pueden ser adecuadas alternativas diferentes en las dos direcciones.
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Hoy en día, el análisis por ordenador es ampliamente utilizado. En cada sección, se da un
comentario de su rol potencial.
5.1
Estructuras arriostradas en construcción simple
Estas estructuras utilizan uniones articuladas viga-pilar, como se observa en la Figura 3.4(a).
SN020 proporciona las metodologías de diseño recomendadas para estructuras arriostradas.
Ventajas
‰ Uniones viga/pilar simples, económicas
‰ Tamaño y peso de columna mínimo
‰ Vigas sólo bajo momentos positivos, permitiendo un mejor uso de la construcción mixta.
‰ Análisis simple de una determinada parte de la estructura de acero, facilitando de esta
manera, la selección óptima de vigas y pilares.
Desventajas:
‰ No es conveniente para construcciones a escala pequeña, si es posible ubicar el
arriostramiento y la condición de fuerza gobierna el diseño del forjado.
‰ Podría conducir a vigas antieconómicas si la condición de servicio gobierna el diseño del
forjado.
Si estas estructuras tienen arriostramiento rígido, pueden diseñarse utilizando un análisis de
primer orden, por ejemplo con αcr ≥ 10. El arriostramiento rígido, puede ser proporcionado ya
sea por un núcleo de hormigón o por un arriostramiento de acero triangular, como se observa
en la Figura 3.1. A medida que las estructuras incrementan en número y altura de plantas, el
tamaño de los arriostrados se incrementa y pueden resultar antieconómicos o difíciles de
ubicar dentro de la distribución arquitectónica. SN028 proporciona una guía simple para
asegurar que el arriostramiento de acero triangular, sea dimensionado para obtener αcr ≥10.
Cuando existe un núcleo de hormigón, se asume que éste proporciona suficiente rigidez
lateral para asegurar αcr ≥10 para la mayoría de edificios de baja a media altura (si el
proyectista tuviera dudas, puede llevarse a cabo un análisis de modos de pandeo). Se puede
hacer manualmente un análisis de primer orden; la ventaja principal de un análisis por
ordenador es la organización de combinaciones de carga, y la determinación de las acciones
gobernantes dentro de la estructura.
Cuando el arriostramiento triangular para lograr αcr ≥10, no se puede acomodar
arquitectónicamente o es antieconómico, puede ser posible diseñar un sistema de
arriostramiento ligero. SN047 proporciona una guía práctica para la selección de las fuerzas
horizontales equivalentes mínimas. α cr puede determinarse aproximadamente y manualmente
por EN 1993-1-1 §5.2.1 4(B) para ciertas clases de estructuras. Sin embargo, un análisis por
ordenador apropiado proporcionará un valor preciso de α cr y ayudará en la organización de la
combinación de cargas y la determinación de las acciones gobernantes dentro de la estructura.
Teóricamente es posible diseñar una estructura con α cr menor que 3,0, utilizando un análisis
de segundo orden según EN 1993-1-1 §5.2.1 Sin embargo, la estructura resultante será tan
flexible lateralmente que es probable que no pase el criterio de flecha práctico en una
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construcción convencional. Por consiguiente, este enfoque, sólo debería utilizarse para formas
especiales de construcción que están más allá del alcance de este documento.
5.2
Estructuras arriostradas con construcción continua
Cuando la rigidez del forjado gobierna el diseño, por ejemplo cuando el canto de las vigas
esta restringido severamente, puede ser más económico optar por una construcción continua
con estructuras arriostradas.
Las consideraciones de arriostramiento son las mismas que para estructuras arriostradas en
construcción simple. Será necesario llevar a cabo el análisis de toda la estructura para
determinar las fuerzas y momentos internos en pilares, vigas, arriostramientos y uniones. El
diseño plástico puede ser útil para estas estructuras.
Ventajas
‰ Las uniones viga/pilar aumentan sustancialmente la rigidez de los sistemas de forjados,
para asegurar que se cumplan el estado límite de servicio, en el caso de tramos largos y/o
cantos de viga restringidos.
Desventajas:
‰ Los pilares, especialmente los pilares externos aumentan en peso sustancialmente para
poder resistir los momentos de flexión.
‰ Las uniones viga/pilar continuas son costosas.
‰ Los momentos de la viga que gobiernan están probablemente en los apoyos, reduciendo
sustancialmente las ventajas de la construcción mixta
‰ El análisis global es complejo, haciendo difícil la optimización del tamaño de los
elementos.
El análisis por ordenador es esencial:
‰ para determinar fuerzas internas y momentos en vigas y pilares
‰ para determinar la distribución de las acciones laterales entre el arriostramiento y la
estructura
‰ para determinar α cr
En donde sea posible realizar un análisis de segundo orden mediante ordenador, es
probablemente más efectivo, en términos de esfuerzo de diseño, usar éste (el ordenador) que
usar el método de amplificación de EN 1993-1-1, § 5.2.1 (3).
5.3
Estructuras no arriostradas contra desplazamiento
lateral: Generalidades
Donde, por razones arquitectónicas, no sea posible colocar arriostramientos, es necesario
utilizar una construcción continua o semirígida, para proporcionar estabilidad lateral y resistir
las fuerzas laterales. (La construcción semi-rígida es compleja, y por consiguiente está más
allá del alcance de este documento).
Diseñar una estructura altamente redundante es difícil. Es importante seleccionar tamaños
iniciales adecuados para lograr un resultado económico final.
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1.
Utilizar SN012 para dimensionar los pilares. Estas tablas incluyen un cierto margen para
cubrir los efectos accidentales de cargas axiales y momentos.
2.
Tamaño de las vigas para
wl 2
, donde w es la carga distribuida por unidad de longitud y l
12
es la luz de la viga.
3.
Inicialmente, realizar un análisis de primer orden separado para fuerzas horizontales y
verticales, y utilizar EN 1993-1-1 §5.2.1(4)B para estimar αcr , y verificar que la
estructura cumpla con los límites de flecha horizontal (véase el documento SN034).
Se debe incluir los efectos de segundo orden en el análisis. Si αcr ≥ 3,0, EN 1993-1-1 §5.2.2
(5)B y (6)B permiten el uso de un enfoque de momento amplificado y fuerza para las acciones
horizontales. Esto puede ser mucho más conveniente que un análisis completo de segundo
orden.
Ventajas
‰ Permite diseños arquitectónicos sin ningún arriostramiento triangular.
Desventajas:
‰ Los pilares, especialmente los pilares externos incrementan en peso sustancialmente para
resistir los momentos de flexión.
‰ Las uniones viga/pilar son complejas y costosas.
‰ Los momentos que gobiernan el diseño de la viga están probablemente en los apoyos,
reduciendo sustancialmente las ventajas de una construcción mixta.
‰ El análisis global es complejo, haciendo difícil la optimización del tamaño de los
elementos.
Un análisis completo con ordenador es esencial por similares razones que en la sección 5.2
anterior.
5.4
Pórticos estabilizadores
Como se muestra en la Figura 5.1(a), puede ser arquitectónicamente conveniente utilizar
estructuras “resistentes” discretas o pórticos estabilizadores para proporcionar la estabilidad
lateral y resistencia a las fuerzas laterales.
Es posible combinar las estructuras estabilizadoras con estructuras arriostradas, como se
muestra en la Figura 5.1(b), siempre que exista compatibilidad entre las rigideces laterales. En
ambos casos, es posible tener diferentes enfoques de diseño para los dos tipos de estructuras.
‰ Usar las técnicas de la Sección 5.3 para estructuras estabilizadoras. Los estructuras
estabilizadoras deben proporcionar rigidez lateral y resistencia lateral a todo el edificio.
Por consiguiente, las vigas y pilares necesitan ser muy rígidas para resistir los efectos
laterales de toda la estructura.
‰ Utilizar los conceptos de estructura arriostrada simple de la Sección 5.1 para el resto de la
estructura.
Debe realizarse un análisis global de esta estructura híbrida para determinar αcr.
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Ventajas
‰ Permite distribuciones arquitectónicas sin ningún arriostramiento triangular.
‰ Reduce la cantidad de uniones viga/pilar y pilares que se necesitarían para soportar
momento de flexión grande.
Desventajas:
‰ Los pilares, especialmente los pilares externos, en los pórticos estabilizadores aumentan
en peso sustancialmente.
‰ Las uniones viga/pilar en pórticos estabilizadores son complejas y costosas.
‰ Se necesita tratar de manera cuidadosa la compatibilidad de rigidez lateral entre pórticos
‘resistentes’, pórticos simples y pórticos arriostrados (si este último existe).
‰ El análisis global es complejo, haciendo difícil la optimización del tamaño de los
elementos.
Es importante, tener especial cuidado de la estructura en su conjunto, para el análisis de los
pórticos estabilizadores, por la razón expuesta en la Sección 5.2. También, puede ser más
conveniente usar un modelo de ordenador de toda la estructura para ayudar en la organización
de combinación de cargas y acciones gobernantes.
2
1
2
2
1
(a)
4
1
1
2
2
2
2
2
3
2
2
2
3
(b)
Leyenda:
1.
2.
Estructura resistente con conexiones rígidas
Estructura con uniones simples
3.
4.
Núcleos rígidos
Junta de dilatación
Figura 5.1
Ejemplos de estructuras estabilizadoras:
(a) Pequeño, estructura con paños grandes sin pilares interiores ni núcleos rígidos
(b) Pequeña, estructura con paños grandes sin pilares interiores ni núcleos rígidos
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de acero y edificios mixtos, de baja a media altura.
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SCI
1. Reino Unido
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23/05/06
2. Francia
A Bureau
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23/05/06
3. Suecia
B Uppfeldt
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23/05/06
4. Alemania
C Müller
RWTH
23/05/06
5. España
J Chica
Labein
23/05/06
G W Owens
SCI
25/04/07
J Chica, Labein
27/02/07
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Título*
Proyecto básico: Selección de estructuras económicas para edificios de acero y
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Series
Descripción*
Este documento presenta y define los principales conceptos de estructuras de edificios de
acero y edificios mixtos de varias plantas. Presenta alternativas principales para el proyectista
y proporciona una guía para realizar una elección económica en un proyecto específico.
Nivel de acceso*
Experiencia
Profesional
Identificadores*
Nombre del archivo
SS047a-ES-EU
Formato
Categoría*
Microsoft Office Word; 13 Páginas; 201kb;
Tipo de recurso
Proyecto básico
Enfoque
Arquitecto, Ingeniero
Tema*
Área(s) de aplicación
Edificios de varias plantas
Fechas
Fecha de creación
26/05/06
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