CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS ESTRUCTURALES

Los sistemas estructurales se pueden clasiticar en varias maneras. Una diferenciación amplia es la que se hace entre una estructura solida, reticulares y estructuras de superficie.

1. Estructuras Macizas: son aquella en las que la resistencia y la estabilidad se logran mediante la masa, aun cuando la estructura no sea completamente solida. Son estructuras resistentes a tuerzas de explosivos, vientos violentos, acción de las olas y vibraciones.

2. Estructuras reticulares: consiste en una red de elementos ensamblados. Los esqueletos de los animales, los sistemas de vigas y columnas de acero y las torres de celosía son ejemplos de estructuras reticulares, se sub dividen en armaduras y pórticos o marcos.

3. Estructuras supeficiales: pueden tener alto rendimiento debido a su función doble como estructura y envolvente, pueden ser muy estables y fuertes, pero están limitadas a recibir cargas concentradas y facilitar discontinuidades repentinas como en los vanos

4. Estructura especiales: son aquellas constituidas por una combinación de los tipos anteriores, aquí estarían las estructuras colgantes. los arcos, las estructuras inflables, etc.

MATERIALES ESTRUCTURALES

Todos los materiales, sólidos, líquidos o gaseosos, tienen alguna naturaleza estructural, el aire que respiramos tiene una naturaleza estructural: resiste a la compresión, el agua soporta los más grandes vehículos hechos por los hombres; enormes barcos transoceánicos. El aceite soporta cargas tan elevadas que se usa en presas hidráulicas entre muchos ejemplos más.

En el estudio o diseño de estructuras, interesan las propiedades particulares de los materiales. Estas propiedades críticas se pueden dividir en propiedades estructurales esenciales y propiedades generales. Las propiedades estructurales esenciales incluyen las siguientes:

• Resistencia: puede variar para los diferentes tipos de fuerzas, en diferentes direcciones, en diferentes edades o diferentes valores de temperatura o contenido de humedad.
• Resistencia a la deformación: grado de rigidez, elasticidad, ductilidad; variación con el tiempo, temperatura, etc.
• Dureza: resistencia al corte de la superficie, raspaduras, abrasión o desgaste.
‘ Resistencia a la fatiga: perdida de la resistencia con el tiempo; tractura progresiva: cambio de forma con el tiempo.
• Uniformidad de estructura física: vetas y nudos en la madera, agrietamiento del concreto, planos cortantes en la roca, efectos de la cristalización en los metales.

Las propiedades generales de interés en el uso y evaluación de materiales estructurales incluyen las siguientes:

• Forma: natural, remoldeada o reconstituida.
• Peso: como contribuyente a las cargas gravitacionales de la estructura.
• Resistencia al fuego: combustibilidad, conductividad, punto de fusión y comportamiento general de altas temperaturas.
• Coeficiente de expansión térmica: relacionado con los cambios dimensionales debidos a las variaciones de temperatura; critico cuando se acoplan varios materiales.
• Durabilidad: resistencia al clima, pudrición, insectos y desgastes.
• Apariencia: natural o modificada.
• Disponibilidad y uso.

En general la elección de materiales debe hacerse a menudo con base en varias propiedades. tanto estructurales como generales. Además se tiene que categorizar las diversas propiedades, según su importancia.

1. MADERA

Las inovaciones técnicas han superado algunas de las limitaciones tradicionales de la madera. Las técnicas especiales de sujeción han hecho posibles estructuras de mayor tamaño mediante un mejor ensamble. La combustibilidad, la podredumbre y la infestación de insectos se pueden retardar con la utilización de impregnaciones químicas. El tratamiento con vapor o gas amoniacal puede hacer altamente flexible a lamadera, permitiéndole asumir formas plásticas. Los movimientos dimensionales debido a los cambios de temperatura o e humedad, siguen constituyendo un problema para la madera. La resistencia al fuego se puede obtener hasta cierto grado. Los elementos de madera son suaves y se dañan con facilidad; por lo tanto, el daño debido a su manejo y uso es un problema.

Aunque existen cientos de especies el uso estructural para edificios está limitado principalmente a algunas maderas de coníferas: abeto Douglas, pino del sur, pino blanco del norte. La disponibilidad local y el costo son los principales factores en la elección de una especie en particular.

2. ACERO

El acero se usa en gran variedad de tipos y formas en casi cualquier edificio. El acero es el material más versátil de los materiales estructurales comunes. También es el más  fuerte, el más resistente al envejecimiento y el  generalmente el más confiable en cuanto a calidad. El  acero es Lii material completamente industrializado y está  sujeto a estrecho control de su composición y de los  detalles de su moldeo y fabricación. Tiene las cualidades  adicionales deseables de no ser combustible, no pudrirse  y ser estable dimensionalmente con el tiempo y los cambios de temperatura.  Las dos desventajas principales del acero para estructuras son inherentes al material; estas son su rápida absorción de calor y la péiida deresistencia (cuando se expone al fuego), corrosión (cuando se expone a la humedad y al aire).



3. CONCRETO

En la construcción la palabra concreto se usa para describir una variedad de materiales que tienen un elemento en común: el uso de un agente aglutinante o aglomerante para formar una masa solida a partir de un agregado suelto inerte ordinario. Los tres ingredientes básicos del concreto ordinario son agua. agente aglomerante (cemento) y agregado suelto (arena y grava). El concreto ordinario tiene varios atributos, el principal es su bajo costo general y su resistencia a la humedad, la oxidación, los insectos, el fuego y los desgastes, puede tomar una gran variedad de formas. La principal desventaja es la falta de resistencia al esfuerzo de tensión. Por lo que es imperativo el uso de refuerzo inerte o pretensado para cualquier función estructural deflexión o torsión considerables

4. ALUMINIO

El aluminio se usa para una gran variedad de elementos estructurales, decorativos y funcionales en la construcción de edificios. Las principales ventajas son su peso ligero y su alta resistencia a la corrosión. Entre las desventajas están su suavidad, su baja rigidez, sus grandes variaciones de dimensión por su expansión térmica, su baja resistencia al fuego y su costo relativamente alto.

Su uso estructural está limitado por su costo y sus grandes cambios dimensionales causados por la baja rigidez del material reduciendo su resistencia al pandeo.

5. MAMPOSTERIA

Se usa para describir una gran variedad de formaciones que constan de elementos separados unidos entre si por algún relleno aglutinante. Los elementos pueden ser roca bruta o corlada, losetas, entre otros. Tradicionalmente el aglutinante es mortero de cemento-cal, además este producto de construcción no requiere la misma cantidad de cimbra y apuntalamiento temporal como se necesita para una estructura de concreto colado. Dos principales problemas de la estructura de mampostería son la contracción del mortero y el agnetamiento por expansión térmica.

6. PLASTICOS

Representa la mayor variedad de uso en la construcción de edificios. Las múltiples propiedades del material y de los procesos de moldeo proporcionan un campo ilimitado para la imaginación de los proyectistas. Las principales desventajas son su falta de resistencia al fuego, escasa rigidez, grandes variaciones por expansión térmica, entre otras. Algunos de los princales usos en la construcción son: 

Sustituto del vidrio: en forma transparente o translucida, como tragaluces (burbujas, ventanas) 

Revestimiento: rodó, pintura, aplicación de capas (forma liquidad, de películas, laminas) para proteger muros, techos, muros de cimentación y cubiertas de superficies planas.

Adhesivos: resinas epóxicas y pegamentos de matriz para ensamblar y resanar.



Elementos moldeados: moldura, accesorios, tableros y herrería.

Espumas: en elementos prefabricados o colados in situ en forma de espuma, como aislantes o rellenos para diversos usos.

7. MATERIALES DIVERSOS

Vidrio: el vidno ordinario posee considerable resistencia, pero es frágil, y poco resistente al impacto, este material se usa en revestimientos, así como ventanena tranparente.

Fibra de vidrio: un uso especial del vidrio es en su forma fibrosa, su uso conocido es en el que las fibras se suspenden en una resma produciendo plástico reforzado con fibra de vidrio.

Papel: material en forma de hoja, producido con trapo o fibra de madera, se usa en la construcción de edificios, su uso estructural ha sido limitado a funciones menores como; material de moldeo cimbra para concreto precolado.

ESTRUCTURAS Y SUS TIPOS DE FALLAS

Cuando una estructura deja cumplir con su función de una manera adecuada, se dice que ha fallado. Al hablar de falla es preciso aclarar dicho concepto, pues existen diferentes tipos. En general, se clasifican de la siguiente manera:

- Falla por deformación elástica excesiva.
- Falla por deformación permanente.
- Falla por separación parcial.
- Falla por separación total.

La falla por deformación elástica tiene que ver con el funcionamiento de la estructura. Puede causar al usuario miedo de utilizarla; piénsese, por ejemplo, en el temor de muchos a cruzar puentes colgantes que oscilan considerablemente, o a caminar sobre redes o placas muy delgadas. También puede ocasionar problemas constructivos como rotura de vidrios, grietas en los cielos rasos y desajustes de puertas y ventanas. En el caso de piezas de maquinaria puede causar roces que aceleran e desgaste, e incluso puede impedir totalmente el funcionamiento de la máquina. Además, hay ocasiones en que dicha deformación excesiva origina esfuerzos secundarios que ocasionan fallas más graves.

El segundo tipo de falla es la deformación permanente, que se presenta cuando el material se ha sometido a un esfuerzo superior a su límite elástico. En máquinas, dichas deformaciones impiden su funcionamiento normal la mayoría de las veces. Lo mismo puede ocurrir en las estructuras propias de la Ingeniería civil, haciendo necesaria su reparación. Sin embargo, el efecto más notorio para un lego en la materia tiene que ver con el aspecto estético que presenta. Piénsese, si no, en las abolladuras causadas en los choques automovilísticos.

La falla por separación parcial, como su nombre lo indica, se refiere a que en algunas partes del elemento estructural el material presenta separaciones considerablemente mayores que las normales entre partículas. Se dice, entonces, que se han presentado fisuras o grietas. Las primeras son, en muchos casos, imposibles de evitar en algunos materiales como el hormigón y pueden tener importancia o no, dependiendo del fin de la estructura. Si se las descuida, sin embargo, pueden adquirir una gravedad que inicialmente no era muy obvía. Por eemplo. estructuras de hormigón reforzado localizadas en zonas costeras o en ambientes industriales corrosivos han fallado por la reducción en el área del acero de refuerzo, producida por la oxidación que facilitan las grietas.

El último tipo de falla, y el más grave desde el punto de vista de la seguridad, es la falla por separación total o colapso de la estructura. Al producirse ocasiona perjuicios económicos considerables y aun pérdida de vidas. Por esta razón sólo es permitida en el laboratorio, pues conocer el comportamiento estructural hasta la rotura incide en la formulación de las normas de diseño. Es claro que un material o estructura que falla de un modo súbito o explosivo, requiere mayor margen de seguridad que cuando el tipo de falla permite tomar a tiempo medidas correctivas.

CARGAS EN LA ESTRUCTURA

1. Orígenes de las cargas.- El termino carga se refiere a cualquier efecto que resulte de la necesidad de cierto esfuerzo resistente por parte de la estructura. Los principales tipos y orígenes de las cargas sobre estructuras de edificios son los siguientes:

Gravedad

Origen; peso de la estructura, de los ocupantes y contenido del edificio.
Cálculo, determinación del volúmen, la densidad y la distribución de los elementos.
Dirección y sentido; verticalmente hacia abajo, constante en magnitud.

Viento

Origen; aire en movimiento, en su acción de flujo.
Cálculo: velocidades mácimas de viento
Dirección y sentido; como presión, o fricción por deslizamiento, como una fuerza paralela distribuida que actúa sobre el edificio.

Terremotos

Origen: sacudimientos del terreno por fallas subterráneas, etc.
Cálculo: probabilidad de que ocurra con base en la geologia de la región y registros anteriores.
Dirección y sentido; movimiento de lado a lado y de arriba hacia abajo, propiedades dinámica del edificio.

Presión hidráulica

Origen; producida por las agua freáticas
Cálculo: como presión de fluidos, es proporcional a la profundidad del fluido.
Dirección y sentido; presión horizontal sobre los muros

Presión del suelo

Origen: semifluido sobre objetos enterrados en él.
Cálculo; considerar que el suelo es equivalente a un fluido (densidad igual a una fracción de la densidad del suelo)
Dirección y sentido; presión horizontal sobre los muros.

Cambio de temperatura

Origen; variación de temperatura en los materiales del edificio.
Cálculo; registros cronológicos del clima, temperaturas internas de diseño y coeficiente de expansión de los materiales.
Dirección y sentido: deformaciones y esfuerzos dentro de la estructura si las partes conectadas tienen diferentes temperaturas.

Contracción.- reducción del volumen del concreto (fuerzas similares a las causadas rxr efectos térmicos)
Vibración.- causadas por efectos sísmicos, maquinarias vehículos y sonidos de alta frecuencia.
Acciones internas.- producidas por asentamientos de apoyos. deslizamientos de conexiones, pandeo de elementos, etc.
Manejo.- efectos que se consideran en su construcción.

2. Cargas vivas y muertas

Carga viva.- es cualquier cosa que no se aplique permanentemente como una fuerza sobre la estructura.
Carga muerta.- es una carga permanente, como el peso de partes permanentes del edificio.
Duración de la carga.- es el período de aplicación continua de una carga dad, o la suma de los períodos de aplicación intermitente de una misma carga.

3 Distribución de cargas

El peso de una viga o un cable es una carga uniformemente  distribuida a lo largo de una línea. La  base una columna o el extremo de un viga representa cargas concentradas  en lugares pequeños.

Una concentración de carga en un  claro de una viga que es continua a  través de varios claros, puede  ocasionar una deflexión hacia arriba  en los claros adyacentes o el  levantamiento de la viga en alguno de  sus apoyos.

4 Combinación de cargas

Las combinaciones se deben considerar cuidadosamente para determinar aquellas que causan situaciones críticas, y que tienen posibilidades de presentarse.

5 Reacciones

La estructura debe tener suficiente resistencia interna y ñgidez para dirigir las cargas a sus apoyos, sin general esfuerzos excesivos y producir deformaciones. La reción generada por el apoyo debe ser de igual magnitud y de sentido opuesto a la carga combinada, produciendo así un estado de equilibrio estático a la estructura.

ETAPAS DE UN PROYECTO DE CONSTRUCCIÓN

Fase planeaclón.- la base de planeación suele corrprender el establecimiento de los requisitos de funcionamiento de la estructura propuesta. la consideración de los tipos posibles de estructuras que pueden ser factibles y los tipos de materiales que se van a utilizar. Esta fase también puede comprender la consideración de factores no estructurales, como la estética, el impacto ambiental de la estructura entre otras. por lo común el resultado de esta fase es un sistema estructural que cumple con los requisitos de funcionamiento y que se espera sea el más económico.

Diseño estructural preliminar.- en la fase preliminar del diseño de la estructura, se estiman los tamaños de los diversos miembros del sistema estructural seleccionado como base en un análisis aproximado. la experiencia pasada y los requisitos de los códigos. En la fase siguiente se usan los miembros de los tamaños seleccionados ra estimar el peso de la estructura.

Estimación las cargas.- la estimación de las cargas comprende la determinación de todas las cargas que puede esperarse actúen sobre la estructura.

Análisis estructurral.- en esta fase se usan los valores de las cargas para llevar a cabo un análisis de la estructura para determinar los esfuerzos o las resultantes de esfuerzos en los miembros y las deflexiones en diversos puntos de la estructura.


Análisis estructural.- en esta fase se usan los valores de las cargas para llevar a cabo un análisis de la estructura para determinar los esfuerzos o las resultantes de esfuerzos en los miembros y las deflexiones en diversos puntos de la estructura.

Comprobaciones de seguridad y utilidad.- se usan los resultados del análisis para determinar si la estructura satisface o no los requisitos de seguridad y utilidad de los códigos de diseño. Si estos requisitos se satisfacen entonces, se preparan los dibujos de diseño y las especificaciones de la construcción y se da inicio a la fase de construcción.

Diseño estructural revisado.- si nos satisface los requisitos de los códigos entonces, se revisan los tamaños de los miembros y se repiten las fases de 3 a 5 hasta que se satisfagan todos los requisitos de seguridad y utilidad.