EDUCACIÓN CON CULTURA: Sistema Estructural

Introducción

El trabajo a presentarse a continuación, preparado por el grupo: ¨Los Estructuralistas¨ (Análisis Estructural I -CIV 4010- 04), trata sobre sistemas estructurales, desglosando así una amplia gama de conceptos que nos llevarán a conocer dicho sistema.

 Sistema Estructural

 Un Sistema Estructural es aquel compuesto de uno o varios sistemas estructurales dispuestos de tal forma que, tanto la estructura total como cada uno de sus componentes, son capaces de mantenerse sin cambios apreciables en su geometría durante las aplicaciones de carga y descarga. 

 

Clasificación de Sistemas Estructurales

1.   Sistema de Forma Activa: Estructuras que trabajan a tracción o compresión simples, tales como los cables y arcos.

2.   Sistemas de Vector Activo: Estructuras en estados simultáneos de esfuerzos de tracción y compresión, tales como las cerchas planas y espaciales.

3.   Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexión, tales como las vigas, dinteles, pilares y pórticos.

4.   Sistemas de Superficie Activa: Estructuras en estado de tensión superficial, tales como las placas, membranas y cáscaras.

Sistemas de Forma Activa

 Cables:

Los cables son estructuras flexibles debido a la pequeña sección transversal en relación con la longitud. Esta flexibilidad indica una limitada resistencia a la flexión, por lo que la carga se transforma en tracción y también hace que el cable cambie su forma según la carga que se aplique. Las formas que puede adoptar el cable son:

1.   Polígono funicular, es la forma que adopta el cable ante fuerzas puntuales.

2.   Parábola,  es  la  curva  que  adquiere  el  cable  ante  una  carga  horizontal  uniformemente repartida.

3.   Catenaria, es la figura que forma el cable ante el peso propio del mismo.

Un cable no constituye una estructura auto portante a menos que cuente con medios y procedimientos para absorber su empuje. Esto se logra canalizando sobre las torres la tracción del cable y anclando en tierra.

Arcos:

Es el elemento constructivo de directriz en forma curvada o poligonal, que salva el espacio abierto entre dos pilares o muros. Depositando toda la carga que soporta el arco en los apoyos, mediante una fuerza oblicua que se denomina empuje. 

Si se invierte la forma parabólica que toma un cable, sobre el cual actúan cargas uniformemente distribuidas según una horizontal, se obtiene la forma ideal de un arco que sometido a ese tipo de carga desarrolla sólo fuerzas de compresión. El arco es en esencia una estructura de compresión utilizado para cubrir grandes luces.

En gran diversidad de formas, el arco se utiliza también para cubrir luces pequeñas, y puede considerarse como uno de los elementos estructurales básicos en todo tipo de arquitectura.

La forma ideal de un arco capaz de resistir cargas determinadas por un estado de compresión simple, puede hallarse siempre con la forma del polígono funicular correspondiente invertido (Fig. 7). Por medio de este método, determinó el arquitecto español Gaudí, la forma de los arcos para la iglesia la Sagrada Familia, en Barcelona.

Figura 7. Forma ideal del arco.

Los  arcos  generan  fuerzas  horizontales  que  se  deben  absorber  en  los  apoyos mediante contrafuertes  o tensores  enterrados.  Cuando  el material  de los cimientos  no es apropiado  el empuje del arco hacia afuera se absorbe mediante un tensor.

Sistemas de Vector Activo

Cerchas:

Las cerchas son estructuras reticuladas, usadas en cubiertas que soportan grandes cargas o que cubren vanos extensos (más de 5 metros).

Considérese la estructura obtenida volcando el cable hacia arriba y reforzando sus tramos rectos con el fin de conferirles resistencia a la compresión. La "flecha negativa" o elevación modifica la dirección de todas las tensiones y el cable invertido se convierte entonces en una estructura de compresión pura: es el ejemplo más simple de armadura (Fig. 8a y 8b). Las barras comprimidas transmiten a los soportes la carga aplicada a la parte superior de la armadura, sobre los apoyos actúan fuerzas verticales iguales a la mitad de la carga y los empujes dirigidos hacia afuera.

El empuje puede absorberse por medio de contrafuertes de material resistente a la compresión como la mampostería, o un elemento de tracción tal como un tensor de acero. Estas armaduras elementales de madera con tensores de hierro, se construyeron en la Edad Media para sostener los techos de pequeñas casas e iglesias (Fig 8c).

Figura 8. Cerchas

Las barras de una armadura no van más allá de los puntos de unión. Esta se realiza por medio de remaches, pernos o soldadura a una “cartela” dispuesta en la intersección de las barras (Fig 9).

Figura 9. Cartela.

Sistemas de Masa Activa

Vigas:

Es un elemento constructivo lineal que trabaja principalmente a flexión. En las vigas, la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser horizontal.

El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y compresión, produciéndose las máximas en el cordón inferior y en el cordón superior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento flector y el segundo momento de inercia. En las zonas cercanas a los apoyos se producen esfuerzos cortantes o punzonamiento.

Las vigas figuran entre los elementos estructurales más comunes, dado que la mayor parte de las cargas  son  verticales  y  la  mayoría  de  las  superficies  utilizables  son     horizontales.  Por consiguiente las vigas transmiten en dirección horizontal las cargas verticales, lo que implica una acción de flexión y corte. Los arcos funiculares ocupan un extremo de la escala de tensiones, con ausencia de flexión; las vigas ocupan el extremo opuesto, trabajando sólo a la flexión.

En una viga simplemente apoyada, una carga aplicada en el punto medio se transmite por mitades a ambos apoyos (Fig. 10). En las vigas de volado esta se trasmite al extremo apoyado (Fig. 11).

                                           Figura 11. Viga en volado.

Figura10. Viga simplemente apoyada.

Columnas:

 Una columna es un elemento arquitectónico vertical y de forma alargada que normalmente tiene funciones estructurales, aunque también pueden erigirse con fines decorativos. De ordinario, su sección es circular, pues cuando es cuadrangular suele denominarse pilar, o pilastra si está adosada a un muro. La columna clásica está formada por tres elementos: basa, fuste y capitel.

Está básicamente sometida a Esfuerzo de compresión.

Clasificación de Columnas

Atendiendo a su disposición en relación con otros componentes de un edificio, pueden distinguirse estos tipos de columnas:

· Columna aislada o exenta: La que se encuentra separada de un muro o cualquier elemento vertical de la edificación.

· Columna adosada: La que está yuxtapuesta a un muro u otro elemento de la edificación.

·  Columna embebida: La que aparenta estar parcialmente incrustada en el muro u otro cuerpo de la construcción.

 

Dinteles y Pilares

Dintel:

Un dintel es un elemento estructural horizontal que salva un espacio libre entre dos apoyos.

Es el elemento superior que permite abrir huecos en los muros para conformar puertas, ventanas o pórticos. Por extensión, el tipo de arquitectura, o construcción, que utiliza el uso de dinteles para cubrir los espacios en los edificios se llama arquitectura adintelada, o construcción adintelada. La que utiliza arcos o bóvedas se denomina arquitectura abovedada.

Pilar:  

Es un elemento vertical (o ligeramente inclinado) sustentante exento de una estructura, destinado a recibir cargas verticales para transmitirlas a la cimentación y que, a diferencia de la columna, tiene sección poligonal.

Lo más frecuente es que sea cuadrado o rectangular, pero puede ser también octogonal, aunque por priorizar su capacidad portante, se proyecta con libertad de formas.

El sistema de pilar y dintel pueden construirse uno sobre otro para levantar edificios de muchos pisos. En este caso, los dinteles apoyan en pilares o en paredes de altura igual a la del edificio. Si bien la construcción de este tipo puede resistir cargas verticales, no ocurre lo mismo con las horizontales, así los vientos huracanados y terremotos dañan con facilidad este sistema, pues la mampostería y los elementos de piedra poseen escasa resistencia a la flexión y no se establece una conexión fuerte entre los dinteles y pilares.

             

Pórticos:

Es un espacio arquitectónico conformado por una galería de columnas adosada a un edificio.

La acción del sistema de pilar y dintel se modifica en grado sustancial si se desarrolla una unión rígida entre el dintel y el pilar llamándose ahora viga y columna (Fig. 13). Esta nueva estructura, denominada el pórtico rígido simple o de una nave, se comporta de manera monolítica y es más resistente tanto a las cargas verticales como a las horizontales.

Figura 13. Pórtico

A medida que aumentan el ancho y la altura del edificio, la estructura resistente del edificio se convierte de este modo en un pórtico con una serie de mallas rectangulares que permiten la libre circulación en el interior, y es capaz de resistir tanto cargas horizontales como verticales. Una serie de estos pórticos, paralelos entre sí y unidos por vigas horizontales, constituye la estructura tipo-jaula que encontramos hoy en la mayoría de los edificios de acero o de concreto armado. Estos pórticos tridimensionales actúan integralmente contra cargas horizontales de cualquier dirección, pues sus columnas pueden considerarse como parte de uno u otro de dos sistemas de pórticos perpendiculares entre sí (Fig. 14).

Figura 14. Pórtico tridimensional.

Bajo la acción de cargas verticales, los tres elementos de un pórtico simple se hallan sometidos a esfuerzos de compresión y flexión. Con las proporciones usuales de vigas y columnas, la compresión  predomina  en  las  últimas  y  la  flexión  en  las  primeras.  

Tipos de pórtico

Los edificios se pueden clasificar en función de las columnas que posee el pórtico de su fachada principal, que suele estar en el frente más corto.

 

Dístilo:

Dístilo se denomina al edificio que tiene dos columnas o pilastras en una o más fachadas. Se llama dístilo in antis, cuando dichas columnas están situadas entre dos pilastras que se alzan a ambos lados de la misma.

Tetrástilo:

El edificio tetrástilo tiene cuatro columnas en su fachada principal. Era comúnmente empleado por los griegos y los etruscos para pequeñas estructuras de edificios públicos.

Hexástilo:

Los edificios hexástilos tenían seis columnas en fachada y eran los pórticos típicos del estilo dórico.

Sistemas de Superficie Activa

Placas:

En ingeniería estructurales, las placas son elemento estructurales que geométricamente se puede se  pueden  aproximar por una superficial bidimensional y trabaja predominante flexión. Y cuya superficial  media es plana.

Cuando  la placas aislada  son muy gruesa, su diseño este controlado por constante, placas de grosor moderado son controlados  por flexión  (con algunas torsiones), y las placas muy delgadas llevar su cargas principalmente por la acción de la membrana de tensión.

Tipos de Placas

Placas de asientos:

Las placas de asiento son las placas o chapas de acero, las cuales se  encargan de transmitir y distribuir la carga de un soporte al material de cimentación. También  son llamadas placas de base.

Placas de asiento para  columnas:

En un elemento en cargarlo de distribuir las carga  provenientes de una columna sobre el pedestal de concreto, que a su vez. Deberá  transmitir dichas carga a la función. El diseño de placa de asiento normalmente  ha sido elaborado para columnas cargada axialmente, es decir, elementos sometido a compresión pura.

Placas de asientos  para vigas:

Tienen  la función de transmitir las fuerzas  constantes de la reacciones a los soporte, estos soportes pueden ser: vigas a columnas de  concreto, ménsulas o muros.

 Placas de base:

El esfuerzo de diseño por compresión en el área de apoyo de un cimiento de concreto o de mampostería es mucho menor que el correspondiente a la base de acero de una columna. Cuando  una  columna de acero se apoya en la parte superior de un cimiento, de una zapata aislada, es necesario que la carga de la columna se distribuya en una área su perficiente para evitar que se sobre fuerce el concreto.

Membranas:

Una membrana es un elemento estructural o de cerramiento, bidimensional, sin rigidez flexional que soporta tensiones y esfuerzos normales. Por ejemplo, la lona de un circo o la vela de un barco funcionan estructuralmente como membranas.

Una membrana es una hoja de material tan delgada que para todo fin práctico, puede desarrollar solamente tracción. Algunos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por pre-tensión producido  por  fuerzas  externas  o presión  interna.  El pretensado  permite  que una membrana cargada desarrolle tensiones de compresión hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de tracción incorporadas a ellas.

                                                                     Figura 18. Ejemplos de membranas pretensadas

Cáscaras:

Se denominan estructuras resistentes por la forma a aquéllas cuya resistencia se obtiene dando forma al material según las cargas que deben soportar. Una membrana invertida y sometida a las mismas cargas para las cuales se le dio forma originariamente, sería una estructura de este tipo y desarrollaría sólo compresión, es decir, constituiría el antífunicular bidimensional de esas cargas (Fig. 19).

(Fig. 19).

Su movilidad e incapacidad para resistir tensiones de corte o de compresión, restringen el uso de las membranas. Todas las desventajas de la acción de membrana se evitan conservando al mismo tiempo la mayor parte de sus ventajas en las cáscaras delgadas.

Figura 20. Formas de cáscaras.

Las cáscaras delgadas son estructuras resistentes por la forma, suficientemente delgada para no desarrollar tensiones apreciables de flexión, pero también suficientemente gruesas para resistir cargas  por  compresión,  corte  y  tracción.  Aunque  se  las  ha  construido  de  madera,  acero  y materiales plásticos, son ideales para construirlas en concreto armado. Las cáscaras delgadas permiten la construcción económica de cúpulas y otros techos curvos de formas diversas, gran belleza y excepcional resistencia (Fig. 20).

Conclusión

En el trabajo antes presentado estuvimos tratando los Sistemas Estructurales acompañado de un desglose de los distintos subtemas y conceptos que definen dichos sistemas.

Gracias a un arduo trabajo hecho por este equipo, ´´Los Estructuralistas´´, hemos podido compilar la información necesaria para transmitir los conocimientos básicos y bastos sobre sistemas estructurales.

Este trabajo destaca la importancia de la rama estructural en la ingeniería civil ya que a través de él pudimos aprender de los elementos que conforman una estructura.

Esperando que al igual que nuestro grupo, este trabajo, sea de mucho provecho y puedan aprender y apreciar todo lo tratado en él.

Bibliografía e Internetgrafía:

> Avalos, E. (1998). Construcción para Arquitectos Tomo 2

> Marshall, W. y Nelson, H. (1995). Estructuras Editor, S.A. de C.V.

> Slideshare.com

> Wikipedia.com