b/2 - Canciani

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
FACULTAD DE ARQUITECTURA DISEÑO Y URBANISMO
CARRERA DE ARQUITECTURA
ESTRUCTURAS III
Tema: EDIFICIOS EN ALTURA – TIPOLOGIAS ESTRUCTURALES
Ing. José María Canciani
Arq a . Cecilia Cei
Año Académico: 2009
TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES DE EDIFICIOS EN ALTURA
La condición básica es la de obtener tipologías que puedan resistir no solo las cargas
gravitacionales sino también las de viento (ó sismo), o sea cargas horizontales. Para ello estas
estructuras deben tener rigidez transversal.
Así tenemos en orden creciente de rigidez:
1. - pórticos múltiples:
El sistema trilítico de columnas y vigas no sirve para tomar cargas horizontales; pero si se
rigidizan los nudos, es decir los encuentros entre viga y columna se obtiene un pórtico, el
cual tiene rigidez transversal.
Uds. Ya han visto pórticos en E 1 y E 2.
En edificios en altura este sistema se multiplica en altura y en ancho de fachada,
obteniéndose una grilla tridimensional llamada pórtico múltiple capaz de resistir
esfuerzos verticales y horizontales.
Es apto para luces entre 3 m y 4,5 m.
En nuestro país se construyen en hº aº, y por esta razón, su peso propio, tiene limitaciones en
altura. (kavanagh, Comega). 20 pisos
En otros países (usa, Europa, Asia) donde el acero es más barato, se los construye en acero
y originalmente hierro. (E.Etate, Chrysler). Tiene la limitación en altura de la flexibilidad del
material. 25 pisos.
Actualmente el procedimiento de cálculo es mediante programas informáticos, Pplan, del cual
ya van a tener una clase y acceso al mismo.
En todos los casos los pórticos se calculan por separado en la dirección “x” e “y” sin tener en
cuenta la vinculación entre ambos.
2. - tabiques:
Es una placa que tiene una gran rigidez transversal, al igual que el pórtico, pero al
tratarse de un elemento macizo su rigidez es mayor. Por esta razón permite lograr mayor
altura y menor deformación lateral.
No tiene rigidez para cargas perpendiculares al plano definido por H y L.
Tiene menor flexibilidad en cuanto a diseño y no permite las plantas libres, por eso es apto para
viviendas u hoteles, por ejemplo.
En nuestro país se los construye en hº aºc (Sheraton).
Una forma de lograr un tabique en acero es cruzando con diagonales un marco.
Los tabiques pueden estar aislados en la planta y completar el esquema estructural con
columnas, de forma tal que éstas tomarán la carga vertical y los tabiques tomaran tanto la
vertical como la horizontal.
O también pueden estar agrupados entre sí, en cuyo caso casi siempre constituyen los
llamados núcleos (circulatorios) para alojar, ascensores, plenos, escaleras y servicios. Estos
constituyen prácticamente una tipología en sí mismos.
3. - tabique + portico:
Esta combinación es quizás la más usada en Bs.As. Y aprovecha las ventajas de cada uno
de estos elementos estructurales. El pórtico estaría tomando la deformación por corte y el
tabique la deformación por flexión.
En Bs. As. Y en nuestro país en general, se construye en hº aº, no obstante se está
incursionando en sistemas mixtos, con núcleo de hº aº y pórticos perimetrales e interiores de
acero, como por ejemplo el hotel panamericano. Pero aún no dan los costos a pesar de ser
más rápido.
4. - sistemas de enrejado:
Conceptualmente funcionan como fachadas estructurales, que podrían considerarse como
tabiques con grandes vanos ó pórticos de gran rigidez. Su desarrollo se debe
fundamentalmente a las pieles y entramados en acero, no obstante está su equivalente en hº
aº.
5. - sistemas tubulares
Es decir paredes estructurales que se vinculan rígidamente entre sí mediante sus
aristas y sus entrepisos, obteniendo la rigidez equivalente a la de un tubo la cual es
mucho mayor que si se considera la de los 4 tabiques por separado.
Esto permite lograr mayor altura y esbeltez con menor deformación. Actualmente los edificios
más altos del mundo tienen esta tipología, o están basados en estos principios. (Twin
Towers, Hancock, Rulero). Se privilegia su construcción en acero, pero con los avances de
calidad del hº aº, se han logrado grandes resistencias, con el agregado de distintos productos
(1000 kg/cm2), y así las Petronas de Pelli, están construidas en parte en hº aº.
6. - haz de tubos:
es una consecuencia del anterior, y consiste en agrupar varios tubos, obteniendo un “haz” un
manojo de tubos, que permite lograr más rigidez y altura y también distintas alturas de c/u de
los tubos (Sears).
7. - colgados:
Estos edificios, son especiales, siguen el camino inverso de las cargas. Son más caros pero
más estables.
(Pirelli, torres de Plaza Colon, torres Kio).
8.- reticulados:
lo explicamos con ejemplos, muy distintos, pero que parten del mismo principio. Banco de
China, Pei; torre en Barcelona.
9.- macroporticos:
también lo explicamos con ejemplos. Banco de Shanghai y Commerzbank, Foster. Son
pórticos enormes con pilares y travesaños de los cuales cuelgan los entrepisos.
Una aclaración muy importante: en realidad, estos edificios son c/u en si una tipología, o mejor
dicho un modelo único, y no se los puede clasificar estrictamente, pues si nos ponemos a
estudiar en detalle a c/u de veremos otras posibilidades de análisis estructural. Lo importante es
que el proyectista logro llevar las cargas a tierra con una estructura bella y racional a la vez.
VIGA DE TUBO CALADO
Parámetros de tipologías estructurales y cantidad de pisos
Pórticos: hasta 20 pisos
T a b i q u e s : h a s ta 3 5 p i s o s
Tabiques + Pórticos: hasta 50 pisos
►Para programas de necesidades más complejos de mayor desarrollo en altura: soluciones
novedosas como la VIGA DE TUBO CALADO
Ejemplos: Edificio Sears (chicago) Torre prourban ( Bs. As.)
TUBO CALADO:
Tipologías : 1. Según Planta
Tubo Calado
•
•
•
Es el más simple: FACHADA ESTRUCTURAL, que soporta las cargas horizontales como
una viga hueca en voladizo
Paredes perforadas forman columnas espaciadas de 1,5 a 3.00mts, arriostradas por
grandes vigas a manera de dinteles y antepechos.La acción tubular es más eficiente en plantas circulares.-
Tubo en Tubo
•
•
Aumenta su resistencia con otro tubo interno: núcleo de ascensores, además de resistir
cargas verticales soporta cargas horizontales.Los entrepisos arriostran ambas estructuras (fachadas y núcleos)
Triple Tubo
•
Construido por 3 tubos:
1.-Inferior: circulaciones verticales
2.-Exterior: determinante: Fachada Estructural
3.-Intermedio: dispuesto entre ambos
Los tubos están vinculados por los entrepisos a manera de diafragmas.-Especialmente apta
para resistir sismos y viento.4.-TUBO + TABIQUE
• La rigidez del tubo aumenta si se le agregan tabiques interiores
• Las paredes exteriores son las alas de una viga hueca cuya alma sería los
Tabiques
• Cuando más juntas estén las columnas exteriores menos tabiques interiores necesito.
TUBO + PORTICOS INTERIORES
• Ej.: Edificio CHARLOTTE -CAROLINA DEL NORTE U.S.A.- 40 pisos
•
•
Los extremos en punta del hexágono logran un comportamiento estructural tubular efectivo
Se agregaron pórticos estructurales transversales que vinculan las fachadas mayores y
rigidizan las triangulares: eficiente acción tubular
HAZ DE TUBOS O TUBOS MODULADOS
•
•
•
•
Es lo más avanzado en este tipo
El tubo aporticado exterior es rigidizado por diafragmas interiores cruzados en ambas
direcciones.Se configura así un ensamble de tubos celulares, individuales entre sí, independientemente
resistentes.Ej.: Edificio SEARS CHICAGO -109 pisos
TIPOLOGIAS
SEGÚN FACHADAS
1.-PAREDES APORTICADAS
2.- PAREDES RETICULADAS
• La rigidez en fachada aumenta, cuando aumenta el nº de diagonales
•
•
Las diagonales no soportan solamente la mayor parte de la carga de viento, sino que
colaboran como columnas tomando las cargas horizontales.Las diagonales del sistema actúan como sistema principal de distribución de cargas.-
DIAGONALES + VIGAS
•
•
•
No hay columnas
Las diagonales actúan como columnas inclinadas, además de tomar el viento
Las vigas sirven de arriostramiento.-
DIAGONALES SOLAMENTE
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
1.-ESQUELETO APORTICADO + TABIQUE
Ej.: Tubo en tubo, tubo tabique, tubo + pórtico y paredes aporticadas
•
El tubo exterior es más rígido que el esqueleto aporticado y resiste la mayor parte del
viento en la zona superior del edificio
•
•
La resistencia interna resiste en la parte inferior
2.-SISTEMA DE ENREJADO CON DIAGONALES EN CRUZ
VIGA DE TUBO CALADO
• Se convierte en un tubo sólido que bajo la acción del viento su comportamiento puede ser
descripto por un voladizo elemental
•
•
•
•
•
•
•
Cuando se introducen aberturas (ventanas) resulta una fachada con vigas importantes y
columnas que provocan una deformación del edificio por corte y que se manifiesta en las
columnas cercanas a las esquinas del edificio y disminuyen hacia el centro de la fachada.Cada fachada es 1 viga Vierendell unida por los entrepisos con las otras 3 y rigidizada por
las aristas (unión de 2 fachadas)
Los entrepisos sirven de arriostramiento lateral
El viento produce flexión
La estructura vertical de la fachada resiste sólo las cargas horizontales y las verticales
correspondientes a su área de influencia
Se desprecia el corte en las aristas
Se comporta como una viga compuesta
•
a
METODO DE CÁLCULO
C2
C1
Planta
b
n
lc
Como método aproximado se puede comenzar considerando a toda la estructura como un tubo
a) Determinación de la carga total (Nit) que actúa en cada columna
Comprende las cargas debidas al Viento (Niv) perpendiculares a la fachada (barlovento
y sotavento) y paralelas a la fachada
y las debidas a las fuerzas gravitacionales (Nipp y Niq)
Nit= Nipp + Niq +Niv
DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS GRAVITACIONALES
Nipp= c1 x c2. H . Pe HºAº
H
Siendo:
c1 y c 2: largo y ancho de la columna
H: altura total del edificio
Pe Hº Aº: Peso específico del Hº Aº
Corte
lc
lc
lc/2
Niq: lc(d/2 + c/2).nºde plantas .q
lc/2
La carga gravitacional es igual tanto
sea para las columnas paralelas a la
dirección del viento como para las
perpendiculares (a barlovento y
Sotavento)
c2
d/2
d
c1
d/2
Niv CARGA DEBIDA AL VIENTO
Las Columnas pueden estar:
a) Perpendiculares a la dirección del viento (a barlovento o a sotavento)
b) Paralelas a la dirección del viento
Como este es un método aproximado en que se asemeja al edificio a una ménsula sometida a
flexión se tiene:
σ=
Niv / ac
Niv = ac
σ Máx . ac : Niv
σ.y.
columnas perpendiculares
ac : Niv columnas paralelas
Siendo:
Ac: sección de la columna
Y: la distancia desde la columna considerada hasta el eje neutro
W
Entonces se tiene
A) σ Máx = M = M =
W J
b/2
M
2J
b
n
b
σMáx
n
σy
a
σ Máx= b. M
2J
En columnas perpendiculares a la acción del viento , y
σy= M . y
J
En columnas paralelas a la dirección del viento.
Siendo:
J: el momento de inercia del tubo
W: el ´módulo resistente del tubo
M: el momento volcador que es absorbido en un 75% por las alas del tubo y en un 25% por el
alma del mismo.
MOMENTO DE INERCIA TOTAL DE LAS COLUMNAS (Jn)
Jn = J alas + J alma
Siendo:
Jn: el momento de inercia total de las columnas
J alas: el momento de inercia de las alas
J alma: el momento de inercia del alma
W
v
c2
c1
n=V
b/2
n=
V=n
Jn = c1.c23 + c1.c2 (b/2)2
Siendo:
n: número de columnas
12
se desprecia
b/2
b
b/2
Jalas = n. Ac. (b/2)2 .2
Ac=C1 . C2 = superficie de la sección
MOMENTO DE INERCIA DEL ALMA
La ecuación usada para hallar el J de las alas es poco apropiada para el alma porque la
distancia “ y” desde el baricentro de cada columna al eje neutro no es constante. Por lo tanto
las columnas se consideran como un tabique macizo de igual superficie que la columna.
lc
lc
b
Entonces: Ac = t
lc
siendo:
Ac: superficie de la columna
lc: luz entre columnas
t: espesor del tabique
Luego: J alma = t . lc 3
12
Para 2 almas = 2. t . lc3
12
6
MOMENTO DE INERCIA DEL ALMA (considerando todas las columnas)
J alma= t .b3
6
por lo tanto, reemplazando
J alma= Ac.b
6. lc
Finalmente, sumando se tiene
Jn= n.2. Ac. ( b )2 + Ac. b3
2
6 . Lc
lc
t
Jn = Ac . b2 ( n + b
)
2
3 Lc
CARGA TOTAL DE LAS COLUMNAS PERPENDICULARES A LA DIRECCIÓN DEL VIENTO:
Nit
A1) a barlovento: Nit = Nipp + Niq - σ Máx .Ac
A2) a sotavento: Nit = Nipp + Niq + σ Máx .Ac
COLUMNAS PARALELAS A LA DIRECCIÓN DEL VIENTO
W
b/2
y
b
σ iy
Nipp y Niq no varían si tienen la misma sección y área de influencia que las columnas
perpendiculares a la dirección del viento
Niv varía porque varía la distancia “Y” al eje neutro. A mayor distancia mayor tensión ,
pero estos valores serán siempre inferiores que los de las columnas perpendiculares ,
porque las distancias van disminuyendo de b/2 hasta o.
Entonces la carga será:
Nit = Nipp + Niq + σ y. Ac
Norma D.IN. 1045
Es el segundo paso a realizar:
A.- En el caso de las columnas perpendiculares a la dirección del viento se verifica la
sección y se calcula la armadura
B.- En el caso de las columnas paralelas a la dirección del viento no es necesario
verificar la sección sino solamente calcular la armadura.
CALCULO DE LA ARMADURA
La carga a considerar para el cálculo de las armaduras de las columnas es la de las columnas
perpendiculares a la dirección del viento a sotavento
As = 1
συ
(δ NT - Aci . β R)
Siendo:
δ: coeficiente de seguridad
2,1 (dominio 5 compresión pura)
συ: tensión en el acero
Aci:área de la columna
μ= As
Ac
μ mín: 0,8%
μ máx: 9%
Verificación:
N = Aci x (βR +. μ . συ)
δ
Siendo:
N: carga máxima admisible
NT: carga máxima actuante
N > Nt
VERIFICACIÓN APROXIMADA DE LAS TENSIONES DE CORTE
QW: esfuerzo de corte a nivel del terreno
A: Sección resistente de corte (se considera la sección del perímetro de las columnas del tubo)
A : 4 x nº col x Ac (no se consideran las columnas de las esquinas)
τ= Qw
A
CALCULO DE LA DEFLEXIÓN DEL TUBO
Se comprobará que :
Δt<
h
500
Debido a las ventanas el tubo sufre importantes deformaciones en las paredes paralelas a la
dirección del viento, ya que se comportan como pórticos múltiples.
Por lo tanto la deflexión total será la suma de la deflexión como tubo ideal más la deflexión
como pórtico múltiple
Deformación como tubo ideal de paredes macizas
Δ tt = W x H4
8x E x J
Donde:
W: carga uniformemente repartida : se transforma el diagrama trapecial de cargas en
uniformemente repartida :
W = Q/H
H: altura del edificio
E: módulo de elasticidad del Hº Aº
J: momento de inercia del tubo
DEFORMACION COMO PÓRTICOS MÚLTIPLES
La deformación producida por las perforaciones de las paredes paralelas
a la dirección del viento que las convierte en pórticos múltiples es alrededor
del 80% del desplazamiento total Δ t
Los pórticos múltiples son 5 veces más flexibles que el tubo ideal de paredes macizas
Δ tp = Δtt
0,20
Deformación total del edificio
Δ t = Δ tt + Δ tp
Δt < H / 500