1.1 DESCRIPCIÓN DEL CAMPO DE APLICACIÓN DEL INGENIERO CIVIL ESTRUCTURISTA

La ingeniería estructural es una rama clásica de la ingeniería civil y, en unos pocos países, de la arquitectura, que se ocupa del diseño y cálculo de la parte estructural en las edificaciones y demás obras. Su finalidad es la de conseguir estructuras funcionales que resulten adecuadas desde el punto de vista de la resistencia de materiales. En un sentido práctico, la ingeniería estructural es la aplicación de la mecánica de medios continuos para el diseño de elementos y sistemas estructurales tales como edificios, puentes, muros (incluyendo muros de contención), presas, túneles, etc.

Los ingenieros estructurales se aseguran que sus diseños satisfagan un estándar para alcanzar objetivos establecidos de seguridad (por ejemplo, que la estructura no se derrumbe sin dar ningún aviso previo) o de nivel de servicio (por ejemplo, que la vibración en un edificio no moleste a sus ocupantes). Adicionalmente, son responsables por hacer uso eficiente del dinero y materiales necesarios para obtener estos objetivos. Algunos ejemplos simples de ingeniería estructural lo constituyen las vigas rectas simples, las columnas o pisos de edificios nuevos, incluyendo el cálculo de cargas (o fuerzas) en cada miembro y la capacidad de varios materiales de construcción tales como acero, madera u hormigón. Ejemplos más elaborados de ingeniería estructural lo constituyen estructuras más complejas, tales como puentes o edificios de varios pisos incluyendo rascacielos.

1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS ACCIONES

Cargas gravitacionales - Cargas Muertas- Cargas Vivas

Cargas accidentales- Viento- Sismo- La combinación de viento y sismo

1.3 CARGAS MUERTAS, VIVAS Y ACCIONES Y SU COMBINACIÓN

Las cargas que soportan un edificio se clasifican en muertas, vivas y accidentales. Las cargas muertas incluyen el peso mismo del edificio y de los elementos mayores del equipamiento fijo. Siempre ejercen una fuerza descendente de manera constante y acumulativa desde la parte más alta del edificio hasta su base.

Las cargas vivas comprenden la fuerza del viento, las originadas por movimientos sísmicos, las vibraciones producidas por las maquinas, mobiliario, materiales y mercancías almacenadas y por maquinas y ocupantes, así como las fuerzas motivadas por cambios de temperatura. Las cargas sísmicas son cargas inerciales causadas por movimientos sísmicos, estas pueden ser calculadas teniendo en cuenta las características dinámicas del terreno, de la estructura (amortiguamiento masa y rigidez), y las aceleraciones esperadas.

Definición de Cargas:

Causa capaz de producir estados tensiónales en una estructura. Clasificación según el tiempo de aplicación las cargas se clasifican en:

Permanentes: son las que duran toda la vida útil de la estructura. Comprenden al peso propio de la estructura y el de todas aquellas partes de la construcción rígida y permanentemente ligada a ellas. Ejemplo: estructura, instalaciones, cerramientos, revestimientos, contra pisos, etc.

Accidentales: son aquellas que cuya magnitud y/o posición pueden variar a lo largo de la vida útil de la estructura (actúan en forma transitoria, existiendo en determinados momentos solamente). Ejemplo: viento, personas, nieve, muebles, terremotos, etc.

Clasificación según su estado inercial (que se refiere al estado de reposo o movimiento en que se encuentra la larga en el momento de actuar) estas se clasifican en:

Estáticas: son las que no cambian nunca su estado de reposo o lo hacen lentamente en el tiempo. En todos los casos son las que durante el tiempo que actúan están en estado de reposo, y por extensión también aquellas que tienen estado inercial despreciable, es decir que si bien varían en el tiempo lo hacen en forma muy lenta. Ejemplos: peso propio de cerramientos, solados, instalaciones, estructuras, etc.; publico en salas de espectáculos; personas en oficinas y viviendas.

.Dinámicas: son las que varían rápidamente en el tiempo. En todos los casos son las que durante el tiempo que actúan están en estado de movimiento (inercial) considerable. Según como sea la dirección del movimiento podemos clasificarlas en :

- MOVILES: son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es perpendicular a la dirección en que se produce la carga. Ejemplos: desplazamiento de un vehículo; desplazamiento de una grúa móvil sobre sus rieles; desplazamiento de un tren sobre sus rieles.

- DE IMPACTO: son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es coincidente con la dirección en que se produce la carga. Se caracterizan por un tiempo de aplicación muy breve (instantánea). Ejemplos: choque de un vehículo; movimiento sísmico; publico saltando sobre gradas en estadios deportivos; acción de frenado (sobre paragolpes en estación terminal de trenes); etc. Todas las cargas dinámicas (móviles o de impacto) tienen un efecto posible que es la resonancia. Todas las estructuras son en cierta medida elásticas, en el sentido que poseen la propiedad de deformarse bajo la acción de las cargas y de volver a su posición normal luego de desaparecer dicha acción .Como consecuencia, las estructuras tienden a oscilar. El tiempo en que tarda una estructura en describir una oscilación completa se llama periodo fundamental.

Clasificación según su ubicación en el espacio:

CONCENTRADAS O PUNTUALES: Son las que actúan sobre una superficie muy reducida con respecto a la total. Ejemplo: columna o viga que apoya sobre una viga.

Distribuidas: Son las que actúan sin solución de continuidad a lo largo de todo el elemento estructural o parte de él. A la vez se dividen en uniformemente distribuidas y distribuidas no uniformes:

- UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDAS: son aquellas que mantienen un mismo valor en toda su expansión. Ejemplos de ellas son el peso propio de una losa, la presión de agua sobre el fondo de un depósito, o el público en una sala de espectáculos.

- NO UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDAS: son aquellas en las que varía su valor en los distintos puntos de su extensión. Ejemplos de ellas son la acción del viento, una pared de altura variable, o la presión en la pared de un tanque.

Carga del Viento:

Este tipo de cargas no se tiene en cuenta en edificios de menos de 15 m de altura o que la proporción altura/ancho sea menor o igual a 2. Es una carga difícil de determinar, depende de la velocidad, ubicación geográfica, altura y forma de la construcción.

Se recurre a los reglamentos donde se encuentran en valores expresados en kg/m2. Se considera dirección en direcciones desfavorables. Carga estática. No uniformemente distribuida ya que disminuye en las capas inferiores por el rozamiento con el suelo.

Cargas Sísmicas:

Son vibraciones simultáneas en forma vertical y horizontal (más intensas). Se transmiten atreves de las Fundaciones, son movimientos convulsivos mayores en los pisos más altos.

Cargas por presión del terreno:

Actúa sobre las paredes de un sótano o muro de contención, originada por el deslizamiento del terreno que trata de contener.

La resistencia a desmoronarse depende del terreno. Por ejemplo: La arena seca tiene un menor ángulo de deslizamiento que la tierra compacta que posee una mayor resistencia al desmoronamiento.

EMPUJE PASIVO: La tierra tiende a mover la estructura.

EMPUJE ACTIVO: El muro se opone al movimiento del suelo.

1.4 Formas estructurales

Clasificación de los sistemas estructurales

Estructuras macizas: Son aquellas en las que la resistencia y la estabilidad se logran mediante la masa, aun cuando la estructura no se completamente sólida.

Estructuras reticulares: Consiste en una red de elementos ensamblados Estructuras superficiales: Pueden tener alto rendimiento debido a su función doble como estructura y

envolvente, pueden ser muy estables y fuertes.

Tipos de estructuras

Muros estructurales

Cuando este sistema se utiliza tiene dos elementos distintivos en la estructura general del edificio:

Muros: Utilizados para dar estabilidad lateral, así como apoyo a los elementos que cubren el claro. Generalmente son elementos a compresión. Pueden ser monolíticos o entramados ensamblados de muchas piezas. Aunque no se utilizan para transmisión de carga vertical se utilizan, a menudo, para dar estabilidad lateral.

Elementos para cubrir claros: Funcionan como pisos y techos. Dentro de estos se encuentran una gran variedad de ensambles, desde simples tableros de madera y viguetas hasta unidades de concreto pre colado o armaduras de acero.

Sistema de postes y vigas

El uso de troncos y árboles en las culturas primitivas como elementos de construcción fue el origen de este sistema básico, la cual es técnica constructiva importantes del repertorio estructural.

Los dos elementos básicos son:

Poste: es un elemento que trabaja a compresión lineal y está sujeto a aplastamiento o pandeo, dependiendo de su esbeltez relativa.

Viga: básicamente es un elemento lineal sujeto a una carga transversal; debe generar resistencia interna a los esfuerzos cortantes y de flexión y resistir deflexión excesiva. La estructura de vigas y postes requiere el uso de un sistema estructural secundario de relleno par producir las superficies de los muros, pisos y techos.

Algunas variaciones de este sistema son:

Extensión de los extremos de las vigas

Sujeción rígida de vigas y postes

Sujeción rígida con extensión de los extremos de las vigas

Ensanchamiento de los extremos del poste

Viga continua

Marcos rígidos

Cuando los elementos de un marco lineal están sujetos rígidamente, es decir, cuando las juntas son capaces de transferir flexión entre los miembros, es sistema asume un carácter particular. Si todas las juntas son rígidas, es imposible cargar algunos de los miembros transversalmente sin provocar la flexión de los demás.

Sistemas para cubrir claros planos

Consiste en producir el sistema en dos sentidos del claro, en vez de uno solo. El máximo beneficio se deriva de una claro en dos direcciones si los claros son iguales. Otro factor importante para incrementar el rendimiento es mejorar la característica de la flexión de los elementos que cubren el claro.

Sistema de armaduras

Una estructura de elementos lineales conectados mediante juntas o nudos se puede estabilizar de manera independiente por medio de tirantes o paneles con relleno rígido. Para ser estables internamente o por si misma debe cumplir con las siguientes condiciones:

Uso de juntas rígidas

Estabilizar una estructura lineal: Por medio de arreglos de los miembros en patrones rectangulares cooplanares o tetraedros espaciales, a este se le llama celosía.

Cuando le elemento estructural producido es una unidad para claro plano o voladizo en un plano, se llama armadura. Un elemento completo tiene otra clasificación: arco o torre de celosía.

Sistema de arco, bóveda y cúpula:

El concepto básico del arco es tener una estructura para cubrir claros, mediante el uso de compresión interna solamente. El perfil del arco puede ser derivado geométricamente de las condiciones de carga y soporte. Para un arco de un solo claro que no está fijo en la forma d resistencia a momento, con apoyos en el mismo nivel y con una carga uniformemente distribuida sobre todo el claro, la forma resultante es la de una curva de segundo grado o parábola. La forma básica es la curva convexa hacia abajo, si la carga es gravitacional.

Estructuras a tensión

La estructura de suspensión a tensión fue utilizada ampliamente por algunas sociedades primitivas, mediante el uso de líneas cuerdas tejidas de fibras o bambú deshebrado. Desde el punto de vista estructural, el cable suspendido es el inverso del arco, tanto en forma como en fuerza interna. La parábola del arco a compresión se jala para producir el cable a tensión.

El acero es el principal material para este sistema y el cable es la forma lógica.

Estructuras de superficies

Son aquellas que consisten en superficies extensas, delgadas y que funcionan para resolver solo fuerzas internas dentro de ellas. El muro que resiste la compresión, que estabiliza el edificio al resistir el cortante dentro de un plano y al cubrir claros como una viga, actúa como una estructura de superficie. La bóveda y la cúpula son ejemplos de este tipo.

Las estructuras de superficie más puras son las que están sometidas a tensión. Las superficies a compresión deben de ser más rígidas que las que soportan tensión, debido a la posibilidad de pandeo.

SISTEMAS ESPECIALES

Estructuras infladas: Se utiliza inyección o presión e aire como recurso estructural en una variedad de formas.

Estructuras laminares: es un sistema para moldear superficies de arco o bóveda, utilizando una red de nervaduras perpendiculares que aparecen como diagonales en planta.

Cúpulas geodésicas: ideada para formar superficies hemisféricas, se basa en triangulación esférica.

Estructuras de mástil: existen estructuras similares a los árboles, que tienen piernas únicas para apoyo vertical y que soportan una serie de ramas. Requiere bases muy estables, bien ancladas contra el efecto del volteo provocado por fuerzas horizontales.

MATERIALES ESTRUCTURALES

Consideraciones generales:

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.

Propiedades estructurales esenciales:

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: pérdida de la resistencia con el tiempo; fractura 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:

Forma: natural, remoldada 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.

Durabilidad: resistencia al clima, pudrición, insectos y desgastes.

Apariencia: natural o modificada.

Disponibilidad y uso.

La elección de materiales debe hacerse a menudo con base en varias propiedades, tanto estructurales como generales. Se tiene que categorizar las diversas propiedades, según su importancia.

Madera:

Las limitaciones de forma y tamaño se han ampliado mediante la laminación y los adhesivos. Las técnicas especiales de sujeción han hecho 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 la madera, permitiéndole asumir formas plásticas.

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 sistemas estructurales. También es el más fuerte, el más resistente al envejecimiento y el más confiable en cuanto a calidad. El acero es un 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 desventajas son su rápida absorción de calor y la pérdida de resistencia (cuando se expone al fuego), corrosión (cuando se expone a la humedad y al aire).

Concreto:

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.

Su principal desventaja es la falta de resistencia al esfuerzo de tensión. Debido a su amorfismo, su a moldeado y acabado presentan, a menudo, los mayores gastos en su uso. El pre colado de fábrica en formas permanentes es una técnica común utilizada para superar ese problema.

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.

Mampostería:

Se usa para describir una variedad de deformaciones que constan de elementos separados entre sí por algún elemento aglutinante. Los elementos pueden ser roca bruta o cortada, losetas o ladrillos cocidos de arcilla, o unidades de concreto. Tradicionalmente, el aglutinante es mortero de cemento-cal. El ensamble resultante es similar a una estructura de concreto y posee muchas propiedades.

Dos importantes de la estructura de mampostería son la contracción del mortero y el agrietamiento por expansión térmica.

Plásticos:

Los elementos de plástico representan la mayor variedad de uso de la construcción de edificios. Algunos de los principales problemas con los plásticos son su falta de resistencia al fuego, escasa rigidez, expansión térmica e inestabilidad química o física con el tiempo.

Algunos de los usos importantes en la construcción son:

Sustituto del vidrio

Revestimiento

Adhesivos

Elementos moldeados

Espumas

MATERIALES DIVERSOS:

Vidrio: el vidrio ordinario posee considerable resistencia, paro tiene las características indeseables de ser frágil y de fácil fragmentación por impacto. Un tratamiento especial puede aumentar su resistencia a las cargas y al impacto, pero es costoso para usarlo en grandes cantidades. Es inconcebible el uso de este material en construcciones de gran escala. Sin embargo, se usa para revestimientos, así como ventanearía transparente.

Fibra de vidrio: es una forma fibrosa, en la cual es capaz de acercarse a su resistencia ideal

BIBLIOGRAFÍA

“ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS”

Ambrose, James, Editorial Limusa. Noriega Editores, México, DF 1998, pág. 45-56

WEB GRAFÍA

http://www.arquba.com.ar/monografias-de-arquitectura/introduccion-a-los-tipos-estructurales/