Ing. Miguel Sambrano.
Puerto Ordaz,
Venezuela.
Julio 2014.
Estructuras
Una estructura puede
concebirse como un
conjunto de partes o
componentes que se
combinan en forma
ordenada par...
La estructura debe cumplir la
función a que está destinada
con un grado de seguridad
razonable y de manera que
tenga un co...
Análisis estructural
el análisis de estructuras significa la separación de la estructura
en sus elementos constitutivos y ...
Como un concepto general, Kassimali (2001) señala
que el análisis estructural “es la predicción del
comportamiento de una ...
El diseño estructural
El diseño estructural incluye el arreglo y dimensionamiento de
las estructuras y sus partes, de tal ...
Fase de Planeación
Diseño estructural preliminar
Estimación de las cargas
Análisis estructural
Seguridad y utilidad
Si
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La estructura, sus componentes y partes.
Ya se ha dicho con anterioridad que una estructura es un todo
formado por compone...
Tirantes: aquellos miembros
sometidos sólo a fuerzas axiales
a tensión pura. Las cargas se
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Vigas y trabes: son elementos
estructurales en donde su eje
longitudinal es más grande o
predomina sobre su ancho y/o
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Columnas: miembros rectos sujetos a cargas axiales de
compresión simple. Generalmente son verticales pero
pueden ser incli...
Puntales: son aquellos miembros estructurales sometidos solo
a fuerzas axiales de compresión. Puede cargarse únicamente
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Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/02/normal-0-false-
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Fuente: http://www.constructorcivil....
Marcos o armazones rígidos: los marcos son estructuras
constituidas por columnas y vigas cuyas uniones son nudos
rígidos, ...
2. Juntas o Nodos: se denomina Juntas o nodos a los
puntos de concurso de varios elementos. Es decir al
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Conexiones rígidas: impiden las traslaciones y
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es decir todos los ...
Conexión o junta articulada: solo impide las
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Los principales apoyos estudiados son:
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El Análisis estático estudia principalmente la acción que
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Toda estructura se deforma bajo la acción de cargas
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Pero sí, al retirar la carga que ha generado una
deformación en la estructura, ésta no vuelve a su posición
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Cuando pueden calcularse las reacciones
de una estructura por medio de las 3
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Introducción al Análisis de Estructuras. Comprende principalmente conceptos que ayudan a entender el porqué deben ser analizadas las estructuras, su importancia, diferencias de algunos tipos de análisis, entre otros.

Preparado por mi persona para introducir a mis alumnos de la Universidad en el apasionante mundo de las Estructuras.

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Introducción al Análisis Estructural

  1. 1. Ing. Miguel Sambrano. Puerto Ordaz, Venezuela. Julio 2014.
  2. 2. Estructuras Una estructura puede concebirse como un conjunto de partes o componentes que se combinan en forma ordenada para cumplir una función dada, mas específicamente, soportar la acción de una serie de fuerzas aplicadas sobre ellos.
  3. 3. La estructura debe cumplir la función a que está destinada con un grado de seguridad razonable y de manera que tenga un comportamiento adecuado en las condiciones normales de servicio. Además, deben satisfacer otros requisitos, tales como mantener el costo dentro de límites económicos y satisfacer determinadas exigencias estéticas.
  4. 4. Análisis estructural el análisis de estructuras significa la separación de la estructura en sus elementos constitutivos y la determinación del efecto de las cargas aplicadas a la estructura en cada elemento. Cualquier estructura es un todo continuo, pero para fines de análisis se puede dividir en distintos miembros, como serían las barras de una armadura, o las vigas, columnas y losas en la estructura de un edificio, o las pilas, estribos, sistemas de piso y cables, en un puente colgante. Una vez dividida la estructura en sus distintos miembros, la determinación del efecto de las cargas en cada miembro se lleva a cabo calculando las acciones internas producidas por esas cargas, o sea, las fuerzas axiales, las fuerzas cortantes, los momentos flexionantes y los torsionantes de cada miembro, así como las deformaciones de cada elemento y de la estructura completa.
  5. 5. Como un concepto general, Kassimali (2001) señala que el análisis estructural “es la predicción del comportamiento de una estructura dada bajo cargas prescritas y otros efectos externos, o bajo ambas influencias, como movimientos en los apoyos y cambios de temperatura” (pág. 4)
  6. 6. El diseño estructural El diseño estructural incluye el arreglo y dimensionamiento de las estructuras y sus partes, de tal manera que las mismas soporten satisfactoriamente las cargas colocadas sobre ellas. En particular, el diseño estructural implica lo siguiente: 1. La disposición general de las estructuras 2. Estudio de los posibles tipos o formas estructurales que representen soluciones factibles. 3. Consideración de las condiciones de carga. 4. Análisis y diseño preliminares de las soluciones posibles. 5. Selección de una solución y análisis y diseño estructural final de la estructura, incluyendo la preparación de los planos.
  7. 7. Fase de Planeación Diseño estructural preliminar Estimación de las cargas Análisis estructural Seguridad y utilidad Si Fase de construcción No Diseño estructural revisado Fases de un proyecto típico de Ingeniería Estructural. Fuente: Kassimali (2001)
  8. 8. La estructura, sus componentes y partes. Ya se ha dicho con anterioridad que una estructura es un todo formado por componentes y partes. Se puede decir entonces que una estructura es un conjunto ordenado de elementos y nudos que son capaces de soportar cargas, transferirlas y mantener un equilibrio de todo ese conjunto. 1. Los elementos de una estructura son las piezas fundamentales de la misma. Relacionan los nodos de la estructura. Son elementos físicos construidos por materiales que deben ser resistentes, deformables y además tienen la capacidad de almacenar energía elástica de deformación.
  9. 9. Tirantes: aquellos miembros sometidos sólo a fuerzas axiales a tensión pura. Las cargas se aplican solo en los extremos. Se emplean “estructuras a tensión” compuestas de cables flexibles de acero para sostener puentes colgantes o techos de claros largos. A dichos elementos les falta rigidez en sus direcciones laterales, por tal motivo son susceptibles a oscilaciones inducidas por fuerzas externas, como por ejemplo, el viento. Fuente: http://www1.caminos.upm.es/estructuras/
  10. 10. Vigas y trabes: son elementos estructurales en donde su eje longitudinal es más grande o predomina sobre su ancho y/o alto. Son miembros sometidos principalmente a flexión y corte, los cuales actúan en el plano normal al eje longitudinal. Algunas veces están sometidas a torsión. Cuando una viga forma parte de un pórtico están sujetas también a cargas axiales, pero son muy pequeñas en comparación con los de corte y flexión. Fuente: http://hanselmeraz.blogspot.com/
  11. 11. Columnas: miembros rectos sujetos a cargas axiales de compresión simple. Generalmente son verticales pero pueden ser inclinadas. Pueden ir acompañadas de flexión uniaxial o biaxial, son también susceptibles a pandeo o inestabilidad, por lo cual se proporciona el uso de arriostramiento cuando las columnas pertenecen a pórticos, igualmente algunas veces son sometidas a corte. Fuente: http://incoronatabitetti.blogspot.com/ Fuente: http://grupo320102.blogspot.com/2 010/09/pabellon-h.html
  12. 12. Puntales: son aquellos miembros estructurales sometidos solo a fuerzas axiales de compresión. Puede cargarse únicamente en sus extremos, y no resisten cargas sometidas a flexión. Armaduras: es un tipo especial de estructura, compuesta enteramente de puntales y tirantes, conectados por articulaciones en sus extremos y por lo tanto están sometidas solo a fuerzas axiales de tensión o compresión respectivamente. Se supone que todas las cargas externas que actúan sobre las armaduras están aplicadas en sus nudos y no directamente a sus componentes. En virtud de su peso ligero y su alta resistencia, las armaduras se usan con amplitud y sus aplicaciones van desde soportar puentes, tejados de edificios, hasta ser soporte en estructuras espaciales.
  13. 13. Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/02/normal-0-false- false-false_01.html Fuente: http://www.constructorcivil.org/2011/05/tipos-de- cerchas-metalicas.html
  14. 14. Marcos o armazones rígidos: los marcos son estructuras constituidas por columnas y vigas cuyas uniones son nudos rígidos, o sea, no permiten la rotación relativa entre los miembros que concurren en el nudo. A diferencia de las armaduras, las cuales se sujetan a cargas en las uniones, sobre las armazones las cargas externas pueden estar aplicadas sobre los miembros así como sobre las uniones. En general, se sujetan a momentos flexionantes, corte y compresión axial o tensión, bajo la acción de cargas externas. Sin embargo, el diseño de los miembros horizontales o vigas suele regirse sólo por los esfuerzos flexionantes y cortantes, ya que las fuerzas axiales en esos miembros por lo común son pequeñas. http://paginas.seccionamarilla.com.mx/estru cturas-reforzadas-en-vallarta-sa-de- cv/estructuras-metalicas/jalisco/puerto- vallarta/-/de-las-juntas-delegacion/
  15. 15. 2. Juntas o Nodos: se denomina Juntas o nodos a los puntos de concurso de varios elementos. Es decir al medio de conexión de dos o más elementos. Normalmente se representa un nodo con un punto el mismo que corresponde a la intersección de los elementos que concurren a él. En un sentido más técnico se les llama Conexiones. Estas pueden ser Rígidas o articuladas. Fuente: Aguiar Falconi (2004)
  16. 16. Conexiones rígidas: impiden las traslaciones y rotaciones relativas de los miembros conectados a ella; es decir todos los extremos de miembros conectados a una unión rígida tienen las mismas traslación y rotación. En otras palabras, se mantienen los ángulos originales que existen entre los miembros que se interceptan en una unión rígida, después que la estructura se ha deformado bajo la acción de cargas. Por lo tanto, esas juntas son capaces de transmitir fuerzas así como momentos entre los miembros conectados. Suelen representarse por puntos en las intersecciones de los miembros.
  17. 17. Conexión o junta articulada: solo impide las traslaciones relativas de los extremos de los miembros conectados a ella; es decir, todos los extremos de los miembros conectados a una unión articulada tienen la misma traslación, pero pueden tener rotaciones diferentes. Por tanto, esas juntas son capaces de transmitir fuerzas, pero no momentos, entre los miembros conectados. Se representan por lo general por círculos pequeños en las intersecciones de los miembros. Conexión Rígida Conexión Articulada
  18. 18. 3. Apoyos: los apoyos se usan para sujetar las estructuras al suelo o a otros cuerpos, restringiendo de este modo sus movimientos bajo la acción de las cargas aplicadas. Las cargas tienden a mover las estructuras; pero los apoyos impiden los movimientos al ejercer fuerzas, o reacciones, que se oponen para neutralizar los efectos de esas cargas, manteniendo de este modo las estructuras en equilibrio.
  19. 19. Los principales apoyos estudiados son: El apoyo simple o rodillo: ofrece resistencia al movimiento sólo en una dirección perpendicular a la superficie de apoyo bajo el rodillo. No presenta resistencia a ligeras rotaciones respecto al eje del rodillo ni a movimientos paralelos a la superficie de apoyo. La única incógnita es la magnitud de la fuerza necesaria para evitar el movimiento perpendicular a la superficie de apoyo.
  20. 20. El apoyo articulado o simplemente “articulación”: este tipo de soporte impide el movimiento en dirección vertical y/u horizontal, pero no impide ligeras rotaciones alrededor del pasador. Hay por tanto dos fuerzas desconocidas, en una articulación: las magnitudes de las fuerzas necesarias para impedir el movimiento horizontal y vertical.
  21. 21. Empotramiento: ofrece resistencia a la rotación alrededor del soporte y al movimiento horizontal y vertical. Se tiene aquí tres incógnitas: las magnitudes de las fuerzas para impedir el movimiento vertical y horizontal y la magnitud de la fuerza para impedir la rotación.
  22. 22. Tipos de Análisis Estructural El Análisis estático estudia principalmente la acción que generan cargas estáticas (fijas) sobra la estructura. Algunas cargas en movimiento son consideradas cargas fijas sobre éstas debido principalmente a que no generan excitación en la masa de la estructura. Sin embargo, cuando existen fuerzas actuando sobre la estructura que generan grandes movimientos en el tiempo, es necesario hacer un análisis dinámico. Estas acciones principalmente son el viento y los sismos; pero también pueden considerarse fuertes impactos de maquinas o explosiones.
  23. 23. Es muy difícil encontrar estructuras en el plano (bidimensionales). Las estructuras principalmente son tridimensionales. Sin embargo para facilitar los procedimientos se “consideran” estructuras planas. Para realizar este análisis siempre se idealiza la estructura, éste procedimiento consiste en representarla con “líneas unidimensionales normalmente coincidentes con los ejes geométricos de los miembros” (González C. Pág. 15). Sin embargo los avances que se han tenido hoy en día, permiten modelar y analizar estructuras tridimensionales por medio del computador. Otro tipo de análisis que se realiza a las estructuras depende del material y su comportamiento bajo la acción de las cargas aplicadas, además de las deformaciones que se pueden presentar en las estructuras. Hablamos entonces de análisis lineal y no lineal.
  24. 24. Toda estructura se deforma bajo la acción de cargas externas. Si al retirar dicha carga de la estructura, ésta vuelve a su forma original, se dice que estamos frente a una estructura lineal. En otras palabras, existe una relación lineal entre la carga y los desplazamientos y responde principalmente a que el material constituyente de la estructura cumple con la Ley de Hooke (hipótesis básica de la Teoría de la Elasticidad) y en que los desplazamientos son infinitésimos. P: carga aplicada u: deformación.
  25. 25. Pero sí, al retirar la carga que ha generado una deformación en la estructura, ésta no vuelve a su posición original, nos encontramos con una estructura de comportamiento No lineal. Se dice que existen deformaciones y desplazamientos remanentes y responde principalmente a que el material no cumple con la Ley de Hooke (No linealidad física) y/o cuando la estructura es sumamente deformable (No linealidad geométrica). P: carga aplicada u: deformación.
  26. 26. Cuando pueden calcularse las reacciones de una estructura por medio de las 3 ecuaciones de la estática, se dice que es una estructura Estáticamente determinada o Isostática . Pero cuando el número de reacciones en los apoyos es mayor que el número de ecuaciones de equilibrio estático se dice que es una estructura Estáticamente Indeterminada o Hiperestática, conociéndose como las redundantes todas aquellas reacciones en exceso que no pueden ser halladas sino se aplican métodos destinados a resolver estructuras indeterminadas. El número de redundantes se conoce como el grado de indeterminación externa de la estructura. Viga Isostática Marco Hiperestático
  27. 27. Visite: http://raydeacero.blogspot.com/2012/02/tipos-de-uniones-acero- estructural.html http://estructuras.eia.edu.co/estructurasI/conceptos%20fundamentales/conce ptos%20fundamentales.htm Material Referencial: Aguiar Falconi, R. (2004) Análisis Matricial de Estructuras. Editorial 3° Ed. Álvarez L, B (s/f). Calculo de Estructuras. Sin más datos. González, O. (2009) Análisis Estructural. Editorial Limusa. 1° Ed. Hsieh, Y (1973) Teoría Elemental de Estructuras. Editorial Prentice/Hall. 1° Ed. En español. Kassimali, A. (2001) Análisis Estructural. Editorial Thomsom Learning. 2° Ed. Introducción y definiciones básicas. Cátedra de Estructuras III. Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata.

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