MODULO 3 PLANOS ESTRUCTURALES TEMA 1 FUNDAMENTOS DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES 1. INTRODUCCIÓN Podemos definir estructura; como la parte de la edificación que recibe, soporta y transmite las cargas o pesos a través de sus elementos hasta el terreno. En la construcción la estructura tiene un mejor comportamiento cuando más directa y lógica haga la transmisión de esfuerzos desde los elementos que la componen hasta el terreno. La forma y conservación de los espacios arquitectónicos depende directamente de la estructura que la sustenta, esto convierte a la estructura en un elemento espacial compuesto esencialmente de materia y forma. Para comprender el papel desempeñado por la estructura en una edificación, hay que entender el proceso de construcción como un sistema integrado por elementos heterogéneos formados por materiales de construcción, transformados mediante una determinada tecnología y realizados por personas, que hacen posible el acto de construirlos en todas sus fases. De esta forma podemos definir al sistema constructivo, como el conjunto de subsistemas dotados de atributos propios que se relacionan entre sí, dando lugar a la creación de un edificio. En el sistema constructivo hay dos aspectos importantes a considerar: - La descomposición del cuerpo o volumen construido en subsistemas, a los que corresponda una clasificación organizada según las funciones desarrolladas por sus respectivos elementos. - La definición y clasificación de los requisitos que deben satisfacer los distintos subsistemas que componen la edificación, dando a cada subsistema la autonomía necesaria para que con sus características cumpla con una función determinada y específica. 2. CLASIFICACION DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO Subsistema estructural: Compuesto por todos los elementos, de los cuales módulo. nos ocuparemos en este Subsistema cerramientos: Hacen parte de él todos los elementos que forman las fachadas y cubiertas; y además todos los que dividen interiormente el volumen en espacios arquitectónicos; y que llamados muros. Subsistema instalaciones: Formado por todas las redes e instalaciones especiales (eléctricas, acueducto, ascensores etc), que hacen posibles la realización de las actividades para las cuales fue diseñado. Subsistema acabados: Se refiere a los materiales y sistemas constructivos, empleados para dar el aspecto o presentación final a los diferentes elementos arquitectónicos y estructurales, que conforman el edificio. Figura 01: Cuadro, Subsistema estructural. 2.1. SUBSISTEMA ESTRUCTURAL Podemos entender el subsistema estructural como el paquete de elementos que soportan además del peso propio de sus materiales, los elementos arquitectónicos, personas y muebles que realizarán en él las labores para las cuales fue diseñado el edificio. Los sistemas mas utilizados en Colombia para la construcción de edificios son: el sistema “esqueletal” [vigas y columnas] y el sistema de mampostería estructural [cimientos, muros, y cubierta como unidad estructural]. La estructura la podemos dividir en: Subestructura y Superestructura. Figura 02: Sistema de mampostería estructural. Figura 03: Subsistema estructural. 2.3. SUB-ESTRUCTURA En un edificio, está constituida por un conjunto de elementos (zapatas, pedestales, vigas de amarre etc.), relacionados entre sí y de acuerdo con su capacidad de trabajo, forma y resistencia. Su presencia es indispensable en todo edificio que tenga que responder a cargas y al desgaste; es por esto, que solo podrá ser sustituida por otro subsistema que cumpla el mismo papel con similar o mejor eficiencia. 2.3.1. PILAS En esencia, se trata de un poso seco que se excava hasta encontrar la resistencia optima del terreno, según la profundidad determinada por el estudio de suelos y los cálculos estructurales; para posteriormente ser vaciado en concreto reforzado con estribos que se colocan en forma de anillos amarrados a los hierros terminales en gancho. Generalmente se entierran a gran profundidad (5m–30m). 2.3.2. PILOTES Son elementos verticales parecidos a las pilas, pero de menor tamaño y enterrados a poca profundidad (3m–4m), pueden ser en concreto simple, ciclópeo, reforzado, vaciados o hincados (prefabricado); pueden trabajar por punta o fricción.. Ambos elementos (pilas y pilotes) soportan las zapatas y los pedestales. 2.3.3. ZAPATAS Elementos estructurales cuyo largo y ancho son grandes con respecto a su grueso o altura; su función es distribuir las cargas verticales que reciben de las columnas y pedestales al terreno,. normalmente están a poca profundidad (3-4 metros). 2.3.4. PEDESTALES Elementos estructurales de mayor diámetro o sección que la columnas y menor que las zapatas, su función estructural es distribuir las cargas verticales a la zapata en forma de triangulo, su sección varia de acuerdo con las cargas de la edificación. Figura 04: detalle de zapata. 2.3.5. VIGA DE FUNDACIÓN O AMARRE Elemento horizontal cuya sección es pequeña con respecto a su longitud, su trabajo es amarrar los elementos verticales columnas y también repartir cargas al terreno; estructuralmente están sometidos a esfuerzos de tracción arriba, y compresión abajo. Generalmente los materiales utilizados son concreto (mezcla en proporciones adecuadas de cemento, arena, triturado y agua según dosificaciones), y acero que es el material de refuerzo. 2.3.6. MUROS DE CONTENCIÓN Elementos verticales; vaciados en concreto o conformados por otros materiales, su función es soportar cargas o fuerzas horizontales producidas por el terreno, funcionan por gravedad, en voladizo o confinados, estos muros adquieren una forma geométrica de “T o L”. En los muros de contención, mientras más monolítica sea su construcción mayor será su resistencia a los esfuerzos. La unión en muros de contención se realiza mediante el sistema machihembrado, tratando que el encajamiento producido por este tipo de unión contrarreste a los esfuerzos a los que se someta. 2.4. SUPER-ESTRUCTURA Cuando en el sistema constructivo hablamos de súper-estructura, nos referimos a todos los elementos necesarios para sostener, (el peso propio del edificio, los muebles y personas que realizarán alguna función en él); y transportar las cargas a los elementos de la subestructura. Los edificios están conformados por planos horizontales, verticales, e inclinados; de esta forma las cargas, se transportarán al terreno según el plano donde se encuentren. Los elementos que están por debajo del nivel del terreno, los denominamos como subestructura y los que están por encima de este nivel son los que denominados como súperestructura. La super-estructura se compone de elementos como Columnas, muros portantes, pórticos, vigas, losas, cubiertas, escalas o gradas. Figura 05: despiece de superestructura 2.4.1. COLUMNAS Elementos verticales aislados, cuya sección en pequeña con respecto a su longitud; transportan las cargas de las losas al pedestal. Las columnas se encuentran sometidas principalmente a esfuerzos de compresión. En sus dimensiones se deben tener en cuenta factores como la relación entre su áreas y su longitud, para evitar problemas de pandeo; así como su momento de inercia. 2.4.2. MAMPOSTERIA Las estructuras que basan su sostenimiento en muros, se comportan como un conjunto integrado por los muros y cubierta [techos / losas] que buscan como unidad llevar los esfuerzos verticales y horizontales al terreno. Los muros estructurales son planos verticales que absorben las cargas, siendo su trabajo principal el de compresión; los muros pueden sufrir ante cargas horizontales esfuerzos de flexión, vuelco o pandeo como si fuese una losa puesta a trabajar de forma vertical y no horizontal como es acostumbrado. Es por esto que en la construcción de estos muros se debe considerar el material, la longitud y la existencia de elementos que ayuden a su soporte. Figura 06: Mampostería estructural 2.4.3. PORTICOS Elemento conformado por la conjugación de columnas y vigas. El sistema estructural de pórticos permite una gran libertad en los espacios, ya que las columnas están aisladas en sentido longitudinal. Los pórticos funcionan como estructuras planas ya que las acciones, reacciones luces y deformaciones se dan en un mismo plano. Figura 07: Tipos de pórticos 2.4.4. VIGAS Elementos similares a las vigas de fundación, pero que hacen parte de las losas, son elementos que tienen como función, unificar esfuerzos mediante elementos lineales. Estos elementos lineales horizontales ayudan a la transmisión de cargas monolíticamente unidas a la columnas, de esta forma funcionan como un pórtico y actúan generalmente bajo cargas verticales a flexión. Figura 08: Empate de columna con viga. 2.4.5. LOSAS Elementos estructurales horizontales que constituyen los pisos de los edificios, generalmente planos, con largo y ancho de mayor tamaño que el espesor; las losas están compuestas por otros elementos más pequeños (vigas, viguetas, aligerantes, recubrimiento, etc.). Bajo cargas verticales actúan a flexión, cizalladura, torsión y fisuras axiales. Figura 09: Detalle losa. 2.4.6. CUBIERTAS Parte de las funciones que desempeña una cubierta son las de protección al medio ambiente, evacuar el agua lluvia y servir de aislamiento térmico. Los elementos de cubierta o techos, forman parte de la estructura y deben integrase a ella, ya que estructuralmente su finalidad y función es la de conformar y unidad. Figura 10: Detalle de cubierta. 2.4.7. ESCALAS Son elementos estructurales de enlace que sirven para establecer comunicación o acceso entre distintos niveles o plantas de una edificación. Aunque los tramos de escalas se generan a partir de un plano (superficie) inclinado, están compuestos por otros elementos más pequeños llamados peldaños, los cuales se componen de un plano horizontal llamado huella, y un plano vertical llamado contrahuella. Figura 11. Con las mismas características que las escalas, las RAMPAS son elementos estructurales inclinados, cuyo funcionamiento y forma son similares, auque también pueden funcionar en cubiertas. 2.4.8. GRADERÍAS Estructuras sobre soportes inclinados distantes unos de otros. Las gradas trabajan a flexión, soportando cargas dinámicas, son fabricadas tradicionalmente en hormigón prefabricado, madera y metal, en procesos constructivos en el sitio de la obra o mediante el montaje de elementos prefabricados. 2.5. CÁLCULO ESTRUCTURAL En Colombia, en el diseño sísmico de edificaciones deben acatarse todas las disposiciones aplicables establecidas de las Normas de Diseño y Construcción Sismo-resistente NSR-98, Ley 400 de 1997 y Decreto 33 de 1998, o los decretos que lo reemplacen o complementen. Sobre una estructura actúan cargas y fuerzas externas, la reacción de la estructura a estas fuerzas, son esfuerzos generados sobre los puntos de apoyo que equilibrar las cargas. La estructura determina el comportamiento de cada elemento que la compone, respecto a las cargas que genera el edificio, al igual que a los materiales para su construcción los cuales deben ser lo suficientemente fuertes para que sean capaces de resistir. Una carga es una fuerza o acción y un esfuerzo es una reacción a esa carga, por lo tanto en una estructura podemos encontrar fuerzas y esfuerzos horizontales, verticales e inclinados, de acuerdo al plano o punto de la estructura donde se presenten. La física elemental nos dice: que para el equilibrio en una estructura, a cada acción se opone una reacción igual y contraria; de esta forma es que los elementos estructurales están sometidos a fuerzas y esfuerzos; el análisis y estudio de estos factores produce los CÁLCULO ESTRUCTURAL, el cual se representa gráficamente en los planos de plantas, cortes, detalles, cuadros, etc. Los planos de cálculos estructurales cuentan con elementos de representación diferentes a los utilizados en planos arquitectónicos constructivos y de instalaciones, es por esto que las estructuras se representan con elementos gráficos tales como: Plantas de fundaciones Detalle de fundaciones y columnas Planta de losa primer piso Planta de losa tipo Detalle de losas vigas y nervios Detalles de escalas Cuadro de estribos Especificaciones Todos los esquemas presentes en un plano estructural nos ayudan a la localización de elementos y de materiales empleados para su elaboración, es el grado de complejidad de la obra quien determina la utilización o no de cada uno de estos esquemas gráficos o la conveniencia de detalles más específicos de cada edificación. 3. GLOSARIO FUERZA: Acción de un cuerpo sobre otro que tiende a cambiarlo de dirección o imprimirle un movimiento. En una estructura actúan 2 tipos de fuerzas, una interna y otras externas. CARGA: Son las fuerzas externas que actúan sobre una estructura, éstas son catalogadas como cargas muertas, vivas, dinámicas y estáticas. ESFUERZO: Fuerza interna ocasionada por la cohesión de partículas que conforman un cuerpo y que se oponen a la deformación que ocasionen las fuerzas externas. Los esfuerzos se clasifican en Simples: compuestos por la compresión, tracción y cizalladura. Compuestos: son la flexión y la torsión. COMPRECIÓN: Es la acción de dos fuerzas sobre una misma línea con sentidos opuestos y que tienden a acortar el elemento. TRACCIÓN: Resistencia de un elemento a dejarse alargar o estirar, la tracción es producida por dos fuerzas opuestas sobre la misma línea de acción. CIZALLADURA: Resistencia que opone un cuerpo a dejarse cortar, producida por dos fuerzas iguales en dos líneas de acción adyacentes. FLEXIÓN: Resistencia de un cuerpo a dejarse doblar en la dirección que actúa la fuerza. Si la fuerza deja de actuar sobre el elemento, éste regresa a su forma original. TORCIÓN: Resistencia de un elemento a ser girado o rotado, este tipo de esfuerzo se presenta al aplicar una carga al elemento que lo hace girar deslizando las secciones transversales una sobre otra. SECCIÓN: Lado o superficie de un plano, también de esta forma puede denominarse cada una de las partes en la que se divide un todo. PANDEO: Deformación permanente producidos en elementos estructurales por una fuerza que excede el esfuerzo máximo que pueden resistir.
