Diseño de estructuras

Diseño Estructural. Es la eficacia y la optimización de las estructuras, emprendida en el siglo XVII con el nacimiento de la Era Moderna, continúa hasta nuestros días y ha provocado en los últimos 60 años el surgimiento de un nuevo nivel de complejidad en la geometría, el diseño, el cálculo y la fabricación de los proyectos arquitectónicos. Supone además que esta búsqueda tiene como principal objetivo la producción de estructuras bellas, racionales y económicas.

Específicamente, pretende realizar un análisis del modo en que la búsqueda de la eficacia y la optimización de las estructuras ha evolucionado a lo largo de la segunda mitad del siglo XX y principios del siglo XXI bajo la influencia de nuevos conceptos surgidos a partir del desarrollo de las teorías científicas enmarcadas en la Teoría General de Sistemas, tales como complejidad, azar, auto organización, emergencia, etc.

El Diseño estructural es adecuado para que una estructura pueda cumplir funciones estructurales que se relacionan con sus propiedades mecánicas y con su costo, principalmente. Las obras civiles implican grandes volúmenes y no permiten el empleo de materiales de resistencia extraordinariamente alta y de comportamiento estructural excelente, por su elevado costo, como los que usan con frecuencia en las estructuras aeronáuticas y aeroespaciales.

Comúnmente, el material debe cumplir dentro de la construcción funciones adicionales a las puramente estructurales. La estructura no suele ser un mero esqueleto resistente recubierto y protegido por otros componentes que tienen la función de formar una envoltura externa y de subdividir los espacios.

Frecuentemente la estructura misma debe cumplir parcialmente estas funciones, por lo que el material que la compone debe tener, además de características estructurales adecuadas, propiedades de impermeabilidad y durabilidad ante la intemperie y de aislamiento térmico y acústico etc.

Propiedades estructurales

Las propiedades estructurales de un material se definen en forma rigurosa por medio de sus leyes constitutivas, o sea del conjunto de ecuaciones que describen el estado de deformaciones que se presenta en el material ante cada posible estado de esfuerzos, así como los estados que corresponden a condiciones de falla.

Con el Diseño estructural se busca hacer que una estructura cumpla fusiones relacionadas con sus propiedades mecánicas. Principalmente, Las obras civiles implican grandes volúmenes y no permiten el empleo de materiales de resistencia extraordinariamente alta y de comportamiento estructural excelente, por su elevado costo, como los que usan con frecuencia en las estructuras aeronáuticas y aeroespaciales.

Comúnmente, el material debe cumplir dentro de la construcción funciones adicionales a las puramente estructurales.

Materiales estructurales
Materiales pétreos

Los materiales pétreos de procedencia natural o artificial fueron, junto con la madera, los primeros utilizados por el hombre en sus construcciones. Se caracterizan por tener resistencia y módulo de elasticidad en compresión relativamente alto y por una baja resistencia en tensión.

La falla es de carácter frágil, tanto en compresión como en tensión. El material formado por un conjunto de piedras naturales o artificiales unidas o sobrepuestas se denomina mampostería. Las zonas de contacto entre las piezas o piedras individuales constituyen planos de debilidad para la transmisión de esfuerzos de tensión estructural y de cortante. La unión entre las piedras individuales se realiza en general por medio de juntas de morteros de diferentes composiciones.

La mampostería de piedras artificiales está constituida por piezas de tamaño pequeño con relación a las dimensiones del elemento estructural constructivo que con ellas se integra en un Diseño estructural.

Diseño estructural del concreto reforzado es el más popular y desarrollado de estos materiales, ya que aprovecha en forma muy eficiente las características de buena resistencia en compresión, durabilidad, resistencia al fuego y moldeabilidad del concreto, junto con las de alta resistencia en tensión y ductilidad del acero estructural, para formar un material compuesto que reúne muchas de las ventajas de ambos materiales componentes.

Manejando de manera adecuada la posición y cuantía del refuerzo, se puede lograr un comportamiento notablemente dúctil en elementos sujetos a flexión. Por el contrario, el comportamiento es muy poco dúctil cuando la falla está regida por otros estados límite como cortante, torsión, adherencia y carga axial de compresión de las estructuras. En este último caso puede eliminarse el carácter totalmente frágil de la falla si se emplea refuerzo transversal en forma de abrazadera.

Elementos lineales

Entre los más sencillos podemos distinguir dos casos: el tirante como elemento de eje recto sujeto a una carga actuante en dirección de su eje, y el cable colgante que sirve para resistir cargas transversales y que toma la configuración adecuada a cada sistema de carga que está sujeto.

Un aspecto especialmente importante en el Diseño estructural  de un elemento en tensión es la necesidad de un anclaje. Este elemento transmite la fuerza en él aplicada a un punto de apoyo que puede ser otra parte de la estructura o el terreno.

Cuando la reacción se transmite a la estructura, puede introducir en ella solicitaciones importantes, cuando se transmite al terreno debe ser contrarrestada ya sea por gravedad, mediante un elemento de anclaje cuyo peso equilibre la reacción, ya sea por fricción entre un elemento de anclaje y el terreno.

Una manera más sencilla las principales propiedades de un material pueden representarse mediante curvas esfuerzo deformación obtenidas de ensayos estándar ante condiciones uniaxiales de esfuerzos de compresión o tensión.

Se ignoran en estos ensayos, efectos como los de la velocidad y permanencia de la carga, los de repeticiones y alteraciones de esfuerzos y los de estados multi axiales de esfuerzos. A pesar de estas limitaciones, las curvas esfuerzo, deformación en tensión y en compresión, recabadas de ensayes en condiciones estándar, proporcionan una información relevante acerca del comportamiento de un material.

Diseño de estructuras: La estructura no suele ser un mero esqueleto resistente recubierto y protegido por otros componentes que tienen la función de formar una envoltura externa y de subdividir los espacios. Aquí es donde entra en acción el  Diseño de estructuras que permite visualiza y realizar cálculos en la mesa de trabajo

Frecuentemente la estructura misma debe cumplir parcialmente estas funciones, por lo que el material que la compone debe tener, además de características estructurales adecuadas, propiedades de impermeabilidad y durabilidad ante la intemperie y de aislamiento térmico y acústico etc.

La resistencia de una estructura depende de las resistencias de los materiales que la conforman; por esta razón se especifican en forma estándar las resistencias mínimas de los materiales.

Las resistencias reales de los materiales no pueden conocerse en forma precisa y por tanto también constituyen variables aleatorias ver Aún más, la resistencia de la estructura depende también del cuidado que se tenga en la construcción, lo cual a su vez refleja la calidad de la supervisión y de la inspección.

El tamaño de los elementos puede diferir de las dimensiones especificadas, el refuerzo puede estar fuera de su posición, el concreto mal colocado puede presentar hormigueros, etc.

Las cargas que actúan sobre las estructuras pueden dividirse en tres grandes categorías: cargas
muertas, cargas vivas y cargas ambientales.

Las cargas ambientales consisten principalmente en cargas de nieve, presión y succión de viento, cargas sísmicas fuerzas inerciales causadas por movimientos sísmicos, presiones de suelo en las porciones subterráneas de las estructuras.

Cargas de posibles empozamientos de aguas lluvias sobre superficies planas y fuerzas causadas por cambios de temperatura. Al igual que las cargas vivas, las cargas ambientales son inciertas tanto en magnitud como en distribución.

La referencia contiene información relativa a las cargas ambientales, las cuales sé localmente dependiendo, por ejemplo, de las condiciones climáticas o sísmicas.

Diseño de estructuras: Las cargas muertas son aquellas que se mantienen constantes en magnitud y fijas en posición durante la vida de la estructura. Generalmente la mayor parte de la carga muerta es el peso propio de la estructura.

Esta puede calcularse con buena aproximación a partir de la configuración de diseño, de las dimensiones de la estructura y de la densidad del material. Para edificios, los rellenos y los acabados de entrepisos, y el cielo raso panelado se toman usualmente como cargas muertas incluyendo una consideración para cargas suspendidas tales como ductos, aparatos y accesorios de iluminación.

Para puentes, las cargas muertas pueden incluir superficies de recubrimiento, andenes y barandas, y una consideración para ductos y otras cargas suspendidas.

Las cargas vivas consisten principalmente en cargas de ocupación en edificios y cargas de tráfico en puentes.

Estas pueden estar total o parcialmente en su sitio o no estar presentes, y pueden cambiar de ubicación. Su magnitud y distribución son inciertas en un momento dado, y sus máximas intensidades a lo largo de la vida de la estructura no se conocen con precisión.

Las cargas vivas mínimas para las cuales deben diseñarse los entrepisos y cubiertas de un edificio se especifican usualmente en el código de construcción que se aplica en el lugar de construcción.

DISEÑO ESTRUCTURAS DE CONCRETO

Diseño de estructuras: Para que nuestras estructuras cumpla sus propósitos debe ser segura contra el colapso y funcional en condiciones de servicio. La funcionalidad requiere que las deflexiones sean pequeñas.

Que las fisuras, si existen, se mantengan en límites tolerables, que las vibraciones se minimicen, etc. La seguridad requiere que la resistencia de la estructura sea la adecuada para todas las cargas que puedan llegar a actuar sobre ella.

Si la resistencia de la estructura, construida tal como se diseñó, pudiera predecirse en forma precisa, y si las cargas y sus efectos internos momentos, cortantes, fuerzas axiales se conocieran con precisión, la seguridad podría garantizarse proporcionando una capacidad portante ligeramente superior a la que se requiere para las cargas conocidas.

DISPOSICIONES DE SEGURIDAD

CÓDIGO ACI Resistencia requerida

Diseño de estructuras: Las disposiciones de seguridad del Código ACI se adaptan a las formas de las ecuaciones las cuales utilizan factores de carga de resistencia y factores de mayoría de las cargas.

Estos factores están basados hasta cierto punto en información estadística, pero confían en un alto grado en la experiencia, en el criterio de ingeniería y en ciertos compromisos.

La resistencia de diseño, de que una estructura o elemento debe ser por lo menos igual a la resistencia requerida U calculada a partir de las cargas aumentadas.

Diseño estructural
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO

La característica particular más importante de cualquier elemento estructural es su resistencia real, la cual debe ser lo suficientemente elevada para resistir, con algún margen de reserva, todas las cargas previsibles que puedan actuar sobre aquel durante la vida de la estructura, sin que se presente falla o cualquier otro inconveniente.

Es lógico, por tanto, dimensionar los elementos, es decir, seleccionar las dimensiones del concreto y la cantidad de refuerzo, de manera que sus resistencias sean adecuadas para soportar las fuerzas resultantes de ciertos estados hipotéticos de sobrecarga, utilizando cargas considerablemente mayores que las cargas que se espera que actúen en la realidad durante el servicio.

Esta metodología de diseño se conoce como diseño a la resistencia. Para estructuras de concreto reforzado sujetas a cargas cercanas a las de falla, uno o los dos materiales, el concreto y el acero, estarán inevitablemente en su rango inelástico no lineal.

SUPOSICIONES FUNDAMENTALES PARA EL COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO REFORZADO

Diseño estructural
Fundamentos de comportamiento

La principal de nuestros ingenieros estructural es el diseño de estructuras. Diseño significa la determinación de la forma general y de todas las dimensiones específicas de una estructura en particular, de manera que esta cumpla con las funciones para las cuales se ha creado y resista en forma segura los efectos que actuarán sobre ella a través de su vida útil.

Estos efectos son principalmente las cargas y otras fuerzas a las que se verá sometida, al igual que a otros agentes perjudiciales, tales como fluctuaciones de temperatura, asentamientos de la cimentación y agentes corrosivos. La mecánica estructural es una de las herramientas principales en el proceso de diseño y el conocimiento científico que permite la predicción, con un buen grado de certeza, de la manera como una estructura de forma y dimensiones dadas se comportará sometida a fuerzas conocidas.