estructuración y predimensionamiento

5/10/2018 Estructuración y Predimensionamiento - slidepdf.com

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Ing. EDUARDO CABREJOS

ESTRUCTURACION – DIMENSIONAMIENTO Y

METRADO DE CARGAS

El objeto del análisis de estructuras consiste en la determinación de las

cargas actuantes, de las reacciones, esfuerzos cortantes, momentos flectores

y torsores. El cálculo y diseño se refiere exclusivamente al

dimensionamiento y armaduras que deben tener los elementos estructuralespara resistir las cargas aplicadas; por lo tanto para la creación de una

estructura se requiere, pues, de dos etapas: el “análisis y el diseño

respectivamente.

I). Estructuración: Definir la estructuración significa optar por un partidoestructural de una edificación o estructura con arquitectura definida. De una

adecuada estructuración dependerá el comportamiento ante las distintas

solicitaciones que se presenten; la estructuración debe ser sencilla para que

luego su modelaje o idealización matemática se represente de la manera

más real, racional y simple posible.

Consideraciones Estructurales para el Cálculo. Una estructura está

constituida por elementos que forman un todo, que tienen la capacidad de

soportar cualquier sistema de cargas. Se requiere conocer:

A. Características de la estructura y sus elementos:

- Seguridad (Resistente)

- Funcional (estética) ⇒ Comportamiento adecuado

- Económica en condiciones de servicio.

B. Características de las solicitaciones:

- Cargas: Verticales (Cargas permanentes ó Muertas CM),

Horizontales (Cargas de Sismo CS, Viento V, Impacto I)

- Sobrecargas: Carga Viva (CV)

C. Efectos que las solicitaciones tienen sobre la estructura:

- Vibraciones

- Deformaciones- Agrietamiento

A diferencia de las estructuras isostáticas como vigas y losas simplemente

apoyadas, donde la determinación de las fuerzas internas no representanmayor dificultad, evaluándose por equilibrio estático, las hiperestáticascomo pórticos (conjunto de vigas y columnas) y las losas son elementos




continuos que requieren criterios adicionales, tales, como giro en las

uniones y deflexiones (distorsiones) para la determinación de sus fuerzasinternas.

Estructuración por Carga vertical: Para estructurar una edificación por

carga vertical, debe tenerse en cuenta que las cargas por gravedad que

actúan en determinado nivel, se transmiten a través de la losa de techohacia los ejes portantes (vigas, columnas, placas y zapatas) y de aquí al

suelo de cimentación.

Estructuración por Carga Sísmica: Las fuerzas sísmicas en edificaciones

son fuerzas de inercia producidas por el hecho que los niveles tienen masa

sujetas a aceleraciones (F= m.a), donde la mayor parte de la masa se

encuentra concentrada a la altura de los elementos horizontales o de piso(vigas, losas, acabados, sobrecarga, tabiquería etc), mientras que la masa

actuante en los elementos verticales o entrepiso (muros, placas, columnas)

es menor, por lo que para un análisis sísmico traslacional, puede suponerse

que la masa se encuentra concentrada a la altura de los pisos. Sísmicamente

la estructura ideal es aquella que tiene poca masa y gran rigidez lateral.

Algunas recomendaciones para una buena estructuración son:

-

Iniciar este trabajo conjuntamente con el anteproyecto arquitectónicoy/o realizando algunas interconsultas con los especialistas de las




distintas especialidades, Eléctricas, Sanitarias, Suelos, Hidráulica, etc.

según el tipo de proyecto.- Determinación de los ejes resistentes (normalmente ortogonales)

-

Distribución uniforme de elementos resistentes (placas, columnas vigas)- Reducir masas e incrementar la rigidez

- Simetría en planta y elevación (forma y masas)

- Proporcionalidad en planta y elevación (volumetría)- Dar mejor capacidad torsional aprovechando el perímetro.

- Es conveniente que la estructura sea lo más hiperestática posible.

- Necesidad de variar la arquitectura si fuese necesario.

En caso de sismo se debe considerar que actuará en las dos “direccionesprincipales”, según la Norma E-030

Análisis Estructural: Se hará en función del partido estructural que se

optó. Para efectos de diseño, debe trabajarse con la envolvente de esfuerzos

en condición de rotura; para obtener estas envolventes, es recomendableefectuar el análisis estructural en condiciones de servicio para las tres

solicitaciones básicas:

- Carga permanente (Carga muerta: CM (D) (DL)).

- Sobrecarga (Carga viva: CV (L) (LL))

- Cargas horizontales (Sismo: S (E) (EL)) Viento V (WL), Impacto I (IL)

Luego se efectuará las cinco combinaciones de carga de acuerdo a la

Norma E-060 de Concreto Armado.

Resistencia Requerida mínima U*

En RoturaU = 1.4 CM + 1.7 CV

U = 1.25 (CM + CV) ± CS

U = 0.9 CM ± CS

*U: Similar tanto para Fuerzas, Cortantes y Momentos (flectores y/o

torsores)

Cada combinación genera un diagrama de esfuerzos (momentos o

cortantes) y para el diseño se emplea la curva que “envuelve” a estos

diagramas (envolvente de esfuerzos en condición de rotura).

Los momentos, esfuerzos cortantes y reacciones máximas no ocurren

cuando la estructura está totalmente cargada, lo que se verifica al observarlas deformaciones de un entrepiso cargado. En la figura se muestra los

diagramas de deflexión debidos a cuatro diferentes hipótesis de carga, cada




una de las cuales debe considerarse para determinar los momentos,

cortantes y reacciones máximas, este proceso es conocido como alternanciade cargas. Se entiende que en cada caso la carga permanente (muerta) debe

actuar en todos los tramos o luces




COEFICIENTES PARA MOMENTOS EN VIGAS CON APOYOS SIMPLES

COEFICIENTES PARA MOMENTOS EN VIGAS DE PORTICOS MONOLITICOS CON LASCOLUMNAS




II. Dimensionamiento Previo (Pre) y Final: Se trata de dar o elegirsecciones tentativas que podrán ser modificadas y/o ratificadas

dependiendo del diseño efectuado. Previamente al inicio deldimensionamiento hay que tener en cuenta:

A. Definición de los materiales a usar:- Concreto

- Albañilería ⇒ Ladrillo, Adobe

- Acero

- Madera, etc.

Teniendo conocimiento previo de las características de los materiales (f´c,fy, f´m, fb etc) y su compatibilidad entre ellos.

B. Cargas y Sobrecargas. (Según norma de cargas E-020)

Elementos Horizontales:

- Losas Aligeradas armadas en una dirección, se dimensionan en el sentido

de la menor longitud del ambiente por techar.

Según la norma E-060 del RNC, para losas aligeradas podemos tomar:

h ≥ ln; ln : Luz libre

25

ln /25 se usa en edificaciones comunes; Cuando hay mucha densidad de

muros o con mucha carga usar ln /20.

- Losas macizas armada en una dirección

Según la norma E-060 del RNC, podemos tomar:h ≥ ln; ln : Luz libre

30

- Losas macizas armadas en dos direcciones

h ≥ Perímetro* @ Perímetro*

160 180




*Nota: El perímetro será del paño a diseñar

VIGAS

Vigas Principales: h ≥ ln @ ln ; ln : Luz libre

10 12

b = h/2 ; b= A/20 , A = Ancho Tributario

Vigas Secundarias: h ≥ ln ; b = h/2

14

Para el caso en que las vigas formen pórticos:

h ≥ ln ; b = h/2

16




Elementos Verticales

Columnas: Se pre dimensionan en función de su área tributaria. Algunas

fórmulas prácticas:

Acol = 1000(*

)kg/m

2x A x N ó P

0.45 f ´c 0.45 f ´c

P = Peso total en servicio

A= Area tributaria o de influencia (m2)

N= Número de pisos

(*)Nota: Valor referencial obtenido de: Col. + vig. = 200 kg/m

2

Losa = 350 kg/m2

Piso Ter. = 100 kg/m2

Tab. = 150 kg/m2

S/C = 200 kg/m2

1000 kg/m2

Por tratarse de un pre dimensionamiento puede utilizarse de 1000 a 1500

Kg/m2

, dependiendo de la densidad de muros de la edificación, encualquier caso deberá hacerse un metrado real de cargas.

Con la sección obtenida se chequeará si ésta cumple con la Norma, y/opodrá ajustarse la sección con un Diagrama de Interacción.




III. Metrado de Cargas: Consiste en determinar las cargas actuantes sobrelos elementos estructurales que conforman la edificación. Este proceso es

aproximado, ya que por lo general se desprecian los efectos hiperestáticosproducidos por los momentos flectores, salvo que estos sean muy

importantes y también porque las cargas son difíciles de precisar con

exactitud. Los tipos de Carga: Pueden ser:

- Cargas Estáticas. Son aquellas que se amplifican en intervalos muy

pequeños de tiempo, por lo general no producen vibración. Se

consideran estáticas cuando se aplican lo suficientemente despacio; eltiempo que tardan en aplicarlas es bastante mayor que el periodo de la

estructura. Se clasifican en:

a. Carga Muerta o Permanente: Es el peso de los materiales, equipo,

construcciones y otros elementos soportados por el edificio,

incluyendo su peso propio que se propone sean permanentes.b. Carga Viva: Es el peso de todos los ocupantes, materiales, equipos,

construcciones y otros elementos soportados por el edificio que

probable o seguramente se moverán o reubicarán durante la vida útildel elemento.




- Cargas Dinámicas. Tienen una variación en el tiempo y pueden seguir

o no una ley matemática que relacione su intensidad en cada intervalode tiempo. Hay que tener presente que el instante en que ocurre la

máxima respuesta estructural, no necesariamente coincide con el de lamáxima solicitación. Pueden ser:

a. Cargas repentinamente aplicadas.b. Cargas armónicas.

c. Cargas pulso.

d. Cargas periódicas no armónicas.

e. Cargas transitorias

- Otras Solicitaciones. Existen otras solicitaciones que pueden

comprometer la estructura y que por lo tanto deben contemplarse en el

diseño. Pueden ser:

a. Asentamiento de los apoyos.b. Cambio de temperatura.

c. Empujes de tierra

d. Subpresiones de agua.

e. Contracciones por secado del concreto, etc.

Pesos de algunos elementos: Se dan algunos valores referenciales, en

cualquier caso se deberá recurrir a la Norma E-020 de cargas.

Losas- Aligeradas

h(cm) w (kg/m2)

17 280

20 300

25 350

30 42035 475

- Losas Macizas: b . l . h . γc (volumen por densidad de concreto)

Para un metro cuadrado tendremos: 1 x 1 x h x 2.4 t/m3

= 2.4 x h (t/m2)

Por metro tendremos: 1 x h x 2.4 t/m3

= 2.4 x h (t/m) ; γc = 2400 kg/m3

Vigas: b . l . h . γc (volumen por densidad de concreto)




Albañilería: γa = 1800 kg/m3

(Albañilería sólida)

γa = 1350 kg/m3

(Albañilería hueca)

Para edificios en función de muros se usa de 150 @ 200 kg/m2

Para los muros estructurales y tabiques puede emplearse las siguientes

cargas de peso propio, expresadas en kilogramos por metro cuadrado de

área de muro por centímetro de espesor del muro incluyendo el tarrajeo.

Según el RNC: 18 kg/m2

x cm de espesor (sólido)14 kg/m

2x cm de espesor (hueca)

Acabados:

- Piso terminado o contrapiso (llenado sobre la losa)

0.05 x 2200 kg/m3 ≅ 100 kg/m

2; γc = 2200 kg/m

3(concreto simple)

También se considera 20 kg/m2

por cm de espesor (Normalmente 5 cm)

- Pastelero: 100 kg/m2

(asentado con barro)

Sobrecargas: Son variables dependiendo del tipo de edificación y uso.

Estas sobrecargas se podrán reducir (ver Norma E-030) ya que es poca la

probabilidad de que todo el edificio esté completamente cargado a la vez.

USO) S/C (kg/m2)

Bibliotecas* 300

Escuelas* 300

Oficinas* 250

Viviendas* 200

Azoteas (no utiliz) 100Corredores 400

*Para ambientes especiales deberá consultarse la Norma E-020

estructuración y predimensionamiento

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