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FISICA
 para arquitectos
						 (Apuntes)
			
      Recopilación y resúmen
       Arq. Constanza Murcia
FÍSICA
Para arquitectos
(APUNTES)



Recopilación y resúmen:              	                                Directivos
Arquitecta CONSTANZA MURCIA                P. José Antonio Balaguera Cepeda, O.P.
Profesora Facultad de Arquitectura                                Rector General
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
TUNJA                                                  P. Luis Alberto Orozco, O.P.
                                                          Rector Seccional Tunja

                                                   P. Tiberio Polanía Ramírez , O.P.
Asesoría Técnica y estructural                            Vicerrector Académico
JOSE HUGO MARTÍNEZ T.
Ingeniero de Estructuras                     P. Erico Juan Macchi Céspedes, O.P.
                                         Vicerrector Administrativo y Financiero

Primera edición                                Arq. Nelson Ricardo Barreto Cetina
Abril 2011                                    Decano Facultad de Arquitectura

Diseño y diagramación                            Galo Cristhian Numpaque Acosta
Arq. Constanza Murcia y                     Director Centro de Investigaciones
Departamento de Comunicaciones
Universidad Santo Tomás - Tunja

Impreso Editorial
Tunja - Boyacá
hidrostáticas ......................... 23
                                         ÍNDICE             - Agentes mecánicos ................ 24
                                                            - Asentamientos ........................ 2
1 DEFINICIÓN ............................              1
                                                            - Efectos de las cargas ............. 24
2 PARTES DE LA FÍSICA ........                         1    - Clasificación de las cargas .... 26
- ACÚSTICA ..............................              4    					                                 27
- ONDULATORIA ........................                 1
- ELECTRICIDAD .......................                 2    5 SISTEMA PORTANTE ........... 27
- MAGNETISMO .......................                   2    - Acción ............................................. 27
- FÍSICA ATÓMICA ..................                    2    - Reacción ........................................     27
- MECÁNICA ..............................              2    - APOYOS ........................................       27
- FLUÍDOS ..................................           3    - Fuerzas externas ...........................          30
- ÓPTICA ..................................            3    - Fuerzas internas ............................         30
- TERMOLOGÍA .........................                 3    - ESFUERZOS ..................................          31
                                                            - ESFUERZO DE TRACCIÓN ...........                      31
3 ESTÁTICA ..............................       5           - ESFUERZO DE COMPRESIÓN .....                          32
- Fuerzas ..................................... 5           - Esbeltez ..........................................   32
- Vectores .................................    5           - Ley de Hooke .................................        33
- EQUILIBRIO ...........................        5           - ESFUERZO DE FLEXIÓN ...........                       34
- LEY DE LAS PALANCAS .........                 7           - ESFUERZO DE CORTE .................                   36
- MOMENTO .............................. 10                 - DEFORMACIÓN .............................             37
- PAR DE FUERZAS .................. 10                      - TABLA 4 - Tipos de esfuerzos ......                   37
- BARICENTRO O CENTRO DE
  GRAVEDAD............................... 11                6 REQUISITOS ESTÁTICOS
                                                              DEL SISTEMA PORTANTE ..... 38
4 CARGAS .................................. 12              - Equilibrio .......................................    38
- Cargas de gravitación ................ 12                 - Estabilidad ......................................    38
- Cargas muertas ............................          12   - Rigidez ...........................................   40
- Cargas vivas .................................       13   - Resistencia ....................................      40
- Fenómenos naturales ..................               14   -Otros requisitos ...........................           41
- Viento ...........................................   15   - TABLA 5 - Sistema potante ...............             43
- Temperatura ................................         15
- TABLA 1 Peso materiales .........                    18   7 BIBLIOGRAFÍA ......................... 44
- TABLA 2 - Cargas vivas ............                  19   - Fuentes, referencias y
- Cargas sísmicas ........................             20   Créditos fotográficos ................. 45
- Empuje de tierra y cargas
1 DEFINICIÓN
Física es un término que proviene del griego “phisisy” que significa realidad o
naturaleza. Es la ciencia que estudia las propiedades generales de la naturaleza
y con la asistencia del lenguaje matemático, establece las leyes de los fenóme-
nos naturales. La física se encarga de las propiedades de la materia, la energia,
el tiempo y sus interacciones.

    Es la disciplina académica mas antigua a traves del estudio de la astronomía.
Esta tarea comenzó hace mas de dos mil años con los primeros trabajos de los
filosofos griegos (Demócrito, Epicuro o Aristóteles)

   Es la ciencia encargada de estudiar la materia, la energía y las leyes que
tienden a modificar su estado y movimiento sin alterar su naturaleza.
		

            ESPACIO, TIEMPO Y MASA
                                                                                    1
2 PARTES DE LA FÍSICA
ACÚSTICA                                     Movimiento ondulatorio
                                             Onda.
- Estudia la propagación y absorción      Es una perturbación que viaja a tra-
de las ondas sonoras.                     vés del espacio o en un medio elásti-
                                          co transportando energía sin que haya
ONDULATORIA                               desplazamiento de la masa. Consis-
- Estudio de las ondas producidas por     te en oscilaciones (variaciones en el
el sonido y las vibraciones               tiempo de un medio o sistema) que se
  Movimiento armónico simple              propaga en el espacio.
Es un movimiento periódico que que-
da descrito en la función del tiempo        Sonido.
por una función armónica. Se define       Es una onda mecánica longitudinal
como un movimiento periódico produ-       porque las partículas del medio vibran
cido por una fuerza recuperadora.         en dirección de la propagación de las
ondas. Las ondas sonoras se produ-          MAGNETISMO	
    cen al vibrar la materia. Ej. El golpe en      Electromagnetismo
    la campana.                                     Interacción de campos eléctricos y
                                                magnéticos. Campo magnético es el
      Vibración es causada por todos los        flujo magnético por unidad de área; es
    sonidos y el aire sirve como medio          una región del espacio en el cual una
    para su propagación.                        carga eléctrica puntual de un deter-
                                                minado valor se desplaza a una velo-
    ELECTRICIDAD                                cidad, sufre los efectos de una fuerza
       Electrostática: cargas eléctricas.       que es perpendicular y proporcional,
       Estudia los fenómenos producidos         tanto a la velocidad como al campo,
    por distribuciones de cargas eléctri-       llamada inducción magnética o densi-
    cas, esto es, el campo electrostático       dad de flujo magnético.	
    de un cuerpo cargado. Es un fenó-
    meno que se debe a la acumulación              Electrónica
    de cargas eléctricas en un objeto, se          Estudia las propiedades de los
    produce cuando ciertos materiales se        electrones. Es la rama de la física y
    frotan uno con otro. El proceso de fro-     especialización de la ingeniería que
2   tamiento causa que se retiren los elec-
    trones de la superficie del material y
                                                estudia y emplea sistemas cuyo fun-
                                                cionamiento se basa en la conduc-
    se reubiquen en la superficie del otro      ción y control del flujo microscópico
    material que ofrece niveles energéti-       de electrones y otras partículas car-
    cos mas favorables.                         gadas eléctricmente.

      La energía Potencial es la capacidad      FÍSICA ATÓMICA
    que tienen los cuerpos para realizar un        Estudio teórico y experimental las
    trabajo (W) debido a la configuración       propiedades y leyes del átomo aislado.
    que tengan en un sistema de cuerpos
    que ejercen fuerzas entre si. Se pue-       MECÁNICA
    de tomar como la energía almacenada            Estudia las leyes relacionadas con las
    en un sistema o como una medida del         fuerzas y el movimiento de la materia.
    tiempo de trabajo que un sistema pue-
    de entregar.                                   Estática
                                                   Estudia las leyes de equilibrio de los
      Electrodinámica                           cuerpos sometidos a la acción de las
      Estudia la corriente eléctrica:           fuerzas.
Cinemática                                TERMOLOGÍA
   Estudia el movimiento demlos ob-            Estudia los fenómenos en los cuales
jetos con independencia de las fuer-        intervienen el calor y la temperatura.
zas que lo producen. Se dice que un
cuerpo está en movimiento cuando al           Calor	
transcurrir en tiempo ocupa lugares            Por cantidad de calor que se en-
distintos; la posición se da siempre en     cuentra en un cuerpo se entiende el
relación con un sistema de referencia.      contenido energético que posee este
                                            cuerpo en forma de energía cinética
  Dinámica o Cinética                       debido al movimiento desordenado de
 Estudia el movimiento según las fuer-      sus moléculas.
zas que lo producen.
Se clasifica en:                              Temperatura o efectos del calor
- Dinámica: de los sólidos                    La temperatura es la medida del va-
- Dinámica: de los líquidos o hidrodi-      lor medio de la energía cinética de las
námica                                      moléculas aisladas. Es una magnitud
- Dinámica: de los gases o aerodiná-        que determina el sentido en el que tie-
mica                                        nen lugar los cambios caloríficos entre

FLUÍDOS 	
                                            los cuerpos                                     3
  Hidrostática                               Calorimetría
  Estudia el equilibrio de los fluidos en     Estudia el calor que se desprende
reposo				                                  de los procesos biológicos, físicos o
  Hidrodinámica                             químicos
  Estudia el movimiento de los fluidos
                                              Termodinámica
ÓPTICA                                        Estudia las relaciones entre el calor y las
   Estudia la producción, propagación       restantes formas de energía, los fenóme-
y absorción de las ondas visibles. Es el    nos en los que existe la transformación
estudio de todas las radiaciones emiti-     de energía mecánica en calorífica o vi-
das por las fuentes luminosas que im-       ceversa, “fenómenos termodinámicos”.
presionan o no la retina.
  Fotometría
  Estudia la medición de la luz

 Colorimetría
 Estudio sobre el color
Cáscaras y reticulados	    fig. 2.2
    Estructuras reticuladas   fig. 2.1




4




                     Estructura en acero y concreto		       fig. 2.3
dos superficies
3 - ESTÁTICA                                - Las fuerzas sísmicas

Parte de la mecánica que estudia las       Vector
leyes de equilibrio de los cuerpos so-        Vector es la representación de una
metidos a la acción de las fuerzas         fuerza.

   Estudia los problemas de equilibrio       Una fuerza es definida por su: magni-
de los cuerpos rígidos. Aunque ningún      tud, sentido y punto de aplicación.
cuerpo es absolutamente rígido y to-
dos los cuerpos se deforman bajo la        Magnitud
acción de las cargas, esta deforma-           La magnitud de una fuerza se repre-
ción es muy pequeña y en algunos           senta mediante la longitud del vector
casos hasta se puede desechar en el        (fig. 3.1)
momento de estudiar las condiciones
de equilibrio. Las deformaciones son
tratadas en el capítulo sobre la resis-
tencia de materiales y la teoría de la                  magnitud
elasticidad.                                                                           5
                                           				                          fig.3.1
   La estática establece las condicio-     Dirección y Sentido
nes que deben cumplir las fuerzas que         El sentido y la dirección se represen-
se aplican a un cuerpo para que este       tan mediante la dirección de la flecha
se halle en equilibrio.                    (fig. 3.2).
Fuerza
  Es toda acción que tiende a alterar el
estado de reposo de un cuerpo sobre
el cual se aplique.

Se conocen como fuerzas las siguientes:
  - Fuerza de gravitación o peso pro-
pio.
   - Presión del viento sobre las pare-
des de un edificio
  - La presión atmosférica                                         fig.3.2
  - La resistencia de rozamiento entre
Punto de aplicación                     cuerpo en el punto A, su acción es
    - Es el punto del cuerpo en el que pue-   equivalente a la de una única fuerza,
    de suponerse concentrada o aplicada       representada por el vector AD, obte-
    la fuerza (fig. 3.3).                     nida como diagonal del paralelogramo
                                              construido sobre los vectores AB y AC
                                              y dirigida en la forma que indica la fi-
                                              gura:
                                                             B
                                              Componente                           D
                                                            Resultante
                                              A
                               fig. .3.3                a
                                               Componente             C
6   EQUILIBRIO
    Estado de reposo de un cuerpo resul-              Paralelogramo de fuerzas
    tante de la acción de fuerzas que se                      fig.3.4
    contrarrestan. Cuando cualquier siste-
    ma de fuerzas actúa sobre un cuerpo,
    el problema general de la estática con-     La fuerza AD constituye la resultante
    siste en hallar las condiciones que el    de las dos fuerzas AB Y AC, las cua-
    sistema debe cumplir para mantener        les se denominan componentes de la
    el equilibrio del cuerpo                  fuerza AD (fig. 3.4). Lo anterior equiva-
                                              le a decir que una fuerza es equivalen-
    Aplicando los principios de la estática   te a sus componentes y viceversa.
    se pueden solucionar los problemas
    del equilibrio:
                                              Segundo principio
    Primer principio.                         Dos fuerzas pueden estar en equilibrio
      Paralelogramo de fuerzas                únicamente en el caso en que sean
      Si dos fuerzas representadas por los    de igual magnitud y que actuando a
    vectores AB y AC que forman entre         lo largo de la misma recta de acción,
    sí un ángulo a están aplicadas a un       tengan direcciones opuestas (fig. 3.5).
LEY DE LAS PALANCAS
                          tracción        Se conoce como palanca a la barra rí-
                                          gida, móvil alrededor de un punto de
                                          apoyo, (llamado fulcro) que sirve para
                                          transmitir una fuerza.
     fig.3.5              compresión      `	
                                             Se utiliza para amplificar la fuerza
                                          mecánica que se aplica a un objeto,
                                          para incrementar la distancia recorrida
                                          o su velocidad en respuesta a la apli-
Tercer principio                          cación de una fuerza. La finalidad de
Cualquier presión ejercida sobre un       la palanca es poder mover una carga
apoyo determina una presión y de sen-     grande a partir de una fuerza o poten-
tido contrario por parte del apoyo, de    cia pequeña.
manera que acción y reacción son dos
fuerzas iguales y de sentido contrario.   Son de dos tipos o género:
                                          Palanca de primer género o
               2P     2P         2P       Palanca de dos brazos
                                          En esta el punto de apoyo C se en-            7
                                          cuentra situado entre la palanca la
                                          fuerza (potencia) y la carga (resisten-
                                          cia). (fig. 3.7). Ejemplos: balancín, tije-
                                          ras, tenazas, alicates, remos (figs. 3.9,
     R1 = 3P                   R1 = 3P    3.10).

                fig.3.6                                                  CARGA
                                          FUERZA

La sumatoria de las fuerzas de acción                          C
es igual a la sumatoria de las reaccio-               a              b
nes (fig. 3.6).
                                           Palanca de dos brazos 	       fig.3.7
	     2P + 2P + 2P = R1 + R2
Palanca de segundo género o
    Palanca de un solo brazo                              Palancas de dos brazos
    En esta la carga (resistencia) se en-
    cuentra entre el punto de apoyo C y la
    fuerza (potencia) (fig. 3.8)
    Ejemplos: la carretilla y el cascanue-
    ces (figs. 3.11 y 3.12).


    FUERZA                    CARGA
                                                          Tijeras          fig. 3.9
                                          C
                                                                                      acción
                  a               b                  reacción       Punto de
     Palanca de un brazo 		            fig.3.8                      giro




              Palancas de un brazo
8
                                                     reacción
                  reacción                                  ALICATES
                                                                                    acción
                                                             Alicates           fig.3.10
    punto
    de giro                                      acción
               acción           reacción
     Carretilla fig. 3.11
                             punto
                             de giro

                                                 acción
                                reacción

                                  Cascanueces fig. 3.12
El funcionamiento de la palanca está
basado en una Ley que se denomina                 P=54 k                      R=90 k
Ley de los momentos. Si se analiza
el caso de un balancín el que al lado
derecho se ubica un a persona de 54
kilos y en el de la izquierda se sienta
una de 90 kilos; para que el balancín
funcione la persona de mayor peso                  a= 2.0           b=1.2
deberá situarse más cerca del punto
de giro y la delgada deberá hacerlo en
el extremo de brazo.                                 Balancín     fig. 3.13

Por un lado se tienen las dos fuerzas
del peso de cada persona que actúan          Fuerza x brazo = Carga x brazo
hacia abajo y por otro la fuerza de re-      	     M2 = + (b x R)			
acción que actúa hacia arriba. El peso       	     M1 = -(90 x 1.20 ) = 108 k-m
de 90 kilos haría girar el balancín en el    	     M2 = +( 54 x 2.0 ) = 108 k-m
sentido de las aguja del reloj y el de 54
en la haría girar en el sentido contrario;   Los momentos son iguales; esta es la        9
como el balancín permanece en equi-          condición de equilibrio de una palanca
librio, la capacidad para producir giro      y la ley de equilibrio de los momentos.
de una fuerza no depende solamente
de su valor sino de la distancia que         Una palanca estará en equilibrio cuan-
hay entre el punto de giro y el punto        do el momento ejercido por la poten-
de aplicación de cada fuerza, lo que         cia sea igual al momentp ejercido por
se llama brazo. Cuanto mayor sea el          la resistencia. Si los momentos no son
brazo mayor será la capacidad de giro        iguales, el sistema gira, imponiendo el
y esta capacidad se le llama momento.        sistema de giro la fuerza que produce
                                             un momento mayor.
El balancín es una palanca y como            Matemáticamente la ley de equilibrio
cualquier palanca sobre ella actúan          de la palanca se puede expresar:
tres fuerzas (fig. 3.13).
                                                         Pxa =Rxb
El momento de una fuerza se obtiene
multiplicando la longitud del brazo por      Donde P es la potencia, a la longitud
el valor de la fuerza.                       de su brazo, R la resistencia y b la lon-
	      M1 = - (a x P )
gitud de su brazo. Cuanto mayor sea        M1= - a x P
     el valor de a mayor será el peso que se   			                    SM=0
     podrá mover.                               M2 = + b x S

     Los momentos o pares de fuerza se         PAR DE FUERZAS
     representan por medio de una flecha       Se denomina par de fuerzas a un siste-
     curva según el sentido del giro.          ma de dos fuerzas iguales y paralelas
                                               que actúan al mismo tiempo sobre un
                                               cuerpo en direcciones opuestas (fig.
                                               3.15). Este sistema no puede reducirse
          M                              M     a una única fuerza resultante por estar
                                               compuesto por dos fuerzas paralelas.



        Sentido del giro del par de fuerzas
                 fig. 3.14		                      P1        Brazo del par          P2

10   MOMENTO DE GIRO
     Una fuerza produce un momento                  C
                                                                  a
                                                                                   D
     cuando hay una distancia diferente de
     cero entre la fuerza y sus reacciones y
     cuando actúa en un material rígido ca-             Brazo del par de fuerzas
     paz de absorber momentos (fig. 3.14).              	      fig. 3.16

                                               La suma algebraica de los momentos
                P                              de las dos fuerzas del par es indepen-
                                         S     diente de la posición en el plano del
                                               par, del punto de giro de los momen-
                                               tos y es igual al producto de la magni-
                                               tud de cualquiera de las fuerzas por el
                  a            b               brazo del par (fig. 3.16).


                             fig. 3.15
En resúmen un cuerpo está en equi-                  BARICENTRO o CENTRO DE GRA-
librio bajo la acción de las cargas ex-             VEDAD
ternas (W y H), cuando se cumplen las               En geometría el baricentro o centro de
tres condiciones :                                  gravedad de una superficie contenida
                                                    en una figura geométrica plana es un
	           S Fuerzas verticales = 0                punto tal que cualquier recta que pasa
	                                                   por el, la divide en dos partes de igual
	           S Fuerzas horizontales = 0              momento respecto a dicha recta.
	           S Momentos = 0                            En física el baricentro de un cuerpo
                                                    material coincide con el centro de las
                                                    masas del mismo, cuando el cuerpo
                                                    es homogéneo (densidad uniforme), o
                                                    cuando la distribución de la materia
                                                    en el cuerpo tiene ciertas propieda-
                                                    des tales como la simetría.
                                W
                                                    La gravedad es la fuerza teórica de
                                                    atracción que experimentan entre sí
                                    H
                                                    los objetos con masa. Tiene relación       11
                                            h       con la fuerza que se conoce como
    A                                               peso. Los efectos dela gravedad son
                                                B
                                                    siempre atractivos y la fuerza resul-
                                                    tante se calcula respecto al centro de
                                                    gravedad de cada objeto.
        R
                   a                    b           CENTRO DE GRAVEDAD: (CG) es el
                         L                          punto de aplicación de la resultante
                                                    de todas las fuerzas de gravedad que
                                                    actúan sobre las distintas masas ma-
                                                    teriales de un cuerpo.

                                                       El Centro de gravedad en las figuras
             Equilibrio de las fuerzas              regulares se encuentra en el cruce de
                      fig. 3.17                     las diagonales (fig. 3.18).
4 CARGAS
                                        DEFINICION
                                        Carga es un agente físico capaz de
                                        producir estados tensionales en un
                                        cuerpo (esfuerzos).
     Ubicación del centro de gravedad       Son fuerzas u otras solicitaciones
                  fig. 3.18             que actúan sobre el sistema estructu-
                                        ral y provienen del peso de todos los
                                        elementos permanentes en la cons-
                                        trucción, los ocupantes y muebles, de
                                        los efectos ambientales y de los cam-
                                        bios dimensionales que se restringen.
                                        Las cargas permanentes son cargas
                                        que varían muy poco con el tiempo.

                                          Se consideran como cargas de una
12                                      estructura toda las acciones externas
                                        que producen en ella esfuerzos, defor-
                                        maciones.

                                        Origen de las cargas: 	
                                        	     - Gravitación				
                                        	     - Fenómenos Naturales		
                                        	     - Agentes Mecánicos
                                        	     - Otros		
                                        			

                                        CARGAS GRAVITACIONALES
                                        PESO W (fuerzas)
                                        Se llaman también cargas verticales.
                                        Son la debidas a la acción de la grave-
       Museo Guhenheim - Bilbao         dad sobre los cuerpos.
              fig.3.19
                                        Pueden ser:
CARGAS MUERTAS
Son las cargas verticales debidas al peso
de todos los elementos permanentes, ya
sean estructurales o no. Incluyen todos
los elementos de la construcción, como
los muros, placas, cubiertas, cielos ra-
sos, escaleras, equipos permanentes,
tanques y sus contenidos y todas aque-
llas cargas que no son causadas por la
ocupación y uso de la edificación. (Ver
tabla No. 1).

Al calcular las cargas muertas deben
utilizarse los pesos reales de los mate-
riales. Debe ponerse especial cuidado
en determinar los pesos representati-
vos en éste cálculo.                                                                    13
	
CARGAS VIVAS
Son carga debidas al uso y ocupación
de la edifiscación, las cargas de vien-
to o sismo, llamadas también cargas               Carga viva		         fig.4.1
ocasionales, los muebles, equipos,
personas, divisiones móviles (fig.3.20).    equipos y trabajadores utlizados en
                                            el mantenimiento y las causadas por
  Las cargas vivas que se utilicen en el    objetos móviles y por las personas
diseño de la estructura deben ser las       que tengan acceso a ellas, por el
cargas máximas que se espera ocu-           viento, el granizo, la lluvia y la nieve.
rran en la edificación, debidas al uso
que ésta va a tener. En ningún caso
estas cargas vivas utilizadas en el di-      Empuje en pasamanos y en ante-
seño estructural, pueden ser menores        pechos
que las que se indican (TABLA No. 2).       Las barandas y pasamanos de escale-
	                                           ras y balcones, tanto exteriores como
Cargas en cubiertas                         interiores y los antepechos, deben di-
Las cargas vivas en cubiertas son           señarse para que resistan una fuerza
aquellas causadas por materiales,           horizontal de 75 k/m (kilos por metro
lineal) aplicada en la parte superior del
     elemento.
     	
     Cargas de impacto
     Cuando una estructura queda someti-
     da a carga viva generadora de impac-
     to, la carga viva debe incrementarse
     en los siguientes valores:
     	
     - Soportes de elevadores y
     ascensores ............................... 100%
     - Vigas de puente gruas con
       cabina de operación y sus
       conexiones .............................. 25%
     - Vigas de puente gruas
       operados por control
       remoto y sus conexiones ..........10%
     - Apoyos de maquinaria
14     liviana movida mediante
       motor eléctrico o por un eje ...... 20%

     FENÓMENOS NATURALES
     -Agentes Atmosféricos:	
     	      - viento:	
           - presión del aire
     	     - succión del aire 	
     	     - lluvia                                        Empuje de tierra   fig. 4.2
     	     - nieve
     	     - granizo		
                                                       	
     - Agentes Térmicos			
     	      - dilatación
     	      - contracción
     	      - Movimientos Sísmicos		
     	
     - Empuje de tierra 	 - presión tierra
     - Cargas hidrostáticas - presión fluídos
Viento                                   En las ciudades del interior de Co-
Se considera que actúa perpen-           lombia el viento no suele ser la fuerza
dicularmente a las superficies: en       determinante del diseño; sin embargo
general se presenta en forma de tor-     debe comprobarse que el edificio ten-
bellinos y su intensidad y variación     ga la suficiente rigidez para que no se
dependen tanto del sitio como de la      experimenten movimientos desagra-
forma y altura de la edificación. Es     dables en los pisos superiores. 	
importante tener en cuenta no solo la
presión directa en las caras que reci-   Agentes térmicos		
ben el viento, sino también la succión   	    - dilatación
en las caras opuestas ((fig. 4.2).       	    - contracción

                                         Temperatura
                                         Si un cuerpo puede dilatarse libre-
                                         mente, sin obstáculos cuando varía
                                         la temperatura, no se presentan es-
                            SUCCIÓN      fuerzos adicionales en él; si se impide
  PRESIÓN                                esa libre dilatación, aparecen efectos
                                         adicionales.


                                                                                   15


dirección
del viento




     Dirección del viento    fig. 4.3    Edificios de Manhathan        fig. 4.4
Presión de tierra 		     fig, 4.5


                                                     Carga viva   fig. 4.6


16




      Carga viva sobre estructura               Carga viva        fig. 4.8
     neumática		          fig. 4.7
Carga viva y muerta          fig. 4.9



                                                                          17

                                             Carga viva       fig. 4.10




  Carga viva          fig. 4.11         Carga viva        fig. 4.12
TABLA No. 1
                                       CARGAS MUERTAS DE DISEÑO
     CONCRETOS                  K/m3       MADERAS               k/m3      SUELTOS               k/m3
     Ordinario(Simple)          2.300   Acacia (Olmo)            720       Arena                 2,000
     De Escoria                 1200    Alamo                    480       Cal viva               850
     De piedra pomez            1100    Eucalipto                 900      Cal apagada           1400
     Reforzado                  2400    Fresno                    700      Cal en polvo          1000
     Asfáltico                  1900    Pino                      600      Cemento               1400
                                                                     3
     MORTEROS                   k/m3        METALES              k/m       Yeso en polvo         1.250
     De Cemento                 2.100   Acero, Hierro            7.850     Yeso en terrones      1850
     De Cal                     1.900   Aluminio                 2.700     ROCAS                 k/m3
                                                                     2
     MAMPOSTERIA                k/m2       CUBIERTAS             k/m       Granito               2.800
     Ladrillo Prensado
        tabicón 0.25
                                404            Teja asbesto cemento        Marmol                2.700
        tabique 0.15            240     Placa ondulada                18   Piedra arenisca       2.400
     Lad. hueco No. 4                   Canaleta 43                          ACABADOS EN
                                 91                                   30                          k/m2
                                                                                 MUROS
                     No. 5      120          Canaleta 90              22   Pañete esp. = 0.025     50
18   Sillería de piedra
                     de 0.40
                                960     Teja
                                        placa
                                                barro   sobre
                                                                      75   espesor = 0.03          60
                                        Teja    barro   sobre
                     de 0.60    1.440                                 75   espesor = 0.04          80
                                        enmaderado
     ACABADOS            EN             Madera                             Enchape madera
                                k/m2                                  20                           10
     PISOS                              impermeabilizada
     Afinado esp. = 0.05        100     Shingle sobre placa           10   Enchape cerámica        30
     Alfombra                           Pizarra                             ACABADOS EN
                                 40                                   30                          k/m2
                                                                            CIELOS RASOS
     Asfalto espesor = 0.05             Pendientado      losas
                                125     cubierta
                                                                   150     Mortero sobre malla   80-100
     Madera       entresuelo-           Teja lamina                        Mortero      sobre
     listón- arriostramiento-   120     galvanizada-zinc              5    guadua                  40
     cielo raso pañete
     Cerámica                    30     Teja plástica                 10   Acústicos              125
     Granito                     30     Teja de aluminio              5    Abesto cemento          15
     Mosaico                     30     Paja                          10   Madera                10-50
     Vinisol                     10
     Baldosín de cemento         50
     Parquet                     20
TABLA No. 2
                                     2
 ALMACENES                     k/m       ESCALERAS                 300
                                         de oficinas y viviendas
 Detal                         350
 Por mayor                     500       FABRICAS
                                         Livianas                   500
 AZOTEAS Y TERRAZAS                      Pesadas                   1.000
 Igual al resto de la
 edificación
                                         GARAJES
 BIBLIOTECAS                             Automóviles               250
 Salas de lectura              200
                                         HOSPITALES
 COLISEOS – ESTADIOS                     Cuartos                   200     19
 Graderías                     400       Salas de Operaciones      400

 CUBIERTAS                               HOTELES                   200
 Inclinadas igual o mayor a     35
 15% de pendiente
                                         OFICINAS                  200
 DEPOSITOS
 Livianos                       500      SALONES D E REUNION
 Pesados                       1.000     Con asientos fijos   500
                                         Sin asientos fijos  1.000
 EDUCACION                     k/m2
 Escuelas,          colegios   200       VIVIENDA                  180
 universidades

Datos tomados de NSR-98 Normas Colombianas de Diseño y Construc-
ción Sismo Resistente Ley 400 de 1997 - Decreto 33 de 1998, para las
Tablas Nos. 1 y 2
Cargas Sísmicas                            que presenta el diseño antisísmico,
     Son las producidas por el movimien-        pues es muy dificil predecir la índole
     to vibratorio de la tierra. Constituyen    e intensidad de los sismos que pue-
     quizás las cargas laterales de mayor       dan presentarse en una determinada
     importancia en una construcción. En        localidad.
     general se originan por la liberación de
     energía en algún punto de la tierra, la        Cuando se produce un sismo, los
     cual es transmitida por movimientos        edificios entran en vibración y como
     ondulatorios que al atravesar las dife-    consecuencia de ello se producen
     rentes capas de la tierra van cambian-     fuerzas de inercia, fuerzas de amorti-
     do de dirección y de características.      guación y fuerzas de rigidez.
     Según el sismólogo inglés Milne, en la
     tierra ocurren unos 80.000 movimien-          Estas fuerzas tienen que estar en
     tos sísmicos por año, de los cuales        equilibrio en cada piso; para compro-
     unos 25.000 se presentan en las pla-       bar esto, se le aplican al edificio un
     taformas continentales y el resto en el    grupo de fuerzas horizontales que si-
     mar, en donde originan los llamados        mulan el efecto de un sismo.(fig 4.15).
     maremotos o tsunamis y apenas uno
     por mil de los sismos continentales        La intensidad de esas fuerzas y la for-
20   son de consideración.                      ma como se reparten en la altura del
                                                edificio dependen de la concentración
        El punto donde se origina el sismo      de la cargas muertas en cada piso y de
     se llama hipocentro o foco y el corres-    las características físicas de la estruc-
     pondiente punto en la superficie se lla-   tura. Una estructura elástica recibirá
     ma epicentro (fig 4.13). A medida que      fuerzas menores que una rígida.
     las ondas se apartan del hipocentro,
     sus períodos de vibración tanto de         Puesto que los sismos se presentan en
     las componentes longitudinales como        cualquier dirección, es necesario que
     transversales van aumentando y su          la estructura esté diseñada para esta
     efecto sobre las edificaciones es me-      circunstancia desfavorable. Aunque
     nor .                                      se ha investigado mucho últimamente
                                                sobre el efecto de los sismos en los
        Un movimiento sísmico se caracte-       edificios, todavía no se sabe la influen-
     riza por su aceleración, su velocidad      cia de las características del suelo en
     y su desplazamiento, que son erráti-       el comportamiento de las estructuras.
     cos en dirección, magnitud, duración       En Colombia las zonas sísmicas de
     y secuencia; de ahí las dificultades       más intensidad son los Santanderes
EPICENTRO                                   SUPERFICIE
                                                             DE LA TIERRA



                                           HIPOCENTRO

                                                fig 4.13




                                                                            21



  Daños en autopista     fig. 4.14


(Bucaramanga y Cúcuta), Bogotá, Hui-
la (Neiva), Caldas (Manizales), Quindío
(Armenia). Nariño (Pasto), Valle (Cali),
Antioquia (Medellín), en menor grado
la Costa Atlántica y los Llanos orien-         Simulación de las fuerzas
tales. El mapa sísmico y tectónico de          que actúan durante un sis-
Colombia dá una idea clara de la con-
centración de las fallas en el país.           mo     fig. 4.15
Efectos en edificio de 7 pisos
     				                          fig. 4.16    Daños en viaducto         fig. 4.17




22




     Efectos de un sismo            Daño en columna           Efectos en edificio de
     	      fig. 4.18                      fig. 4.19          3 pisos      fig. 4.20
Empuje de tierra y Cargas Hidrostáticas
Son las cargas debidas a fluídos de los cuales se conoce su peso específico, su
presión y su máxima variación en altura.




  Nivel del terreno

  Nivel                              Empuje
  freático                           del agua
                                          Nivel freático
                                          no natural
                                                                                  23



       Muro de contención                                     Empuje
                                                              de tierra

                      Empuje de agua y tierra 	   fig. 4.21
AGENTES MECÁNICOS
     Las cargas debidas a agentes mecá-
     nicos pueden ser vibraciones perma-
     nentes y a impactos o movimientos
     fuertes de alguna maquinaria instalada
     dentro de la edificación.
     	      - vibraciones
     	      - impacto
     	      - rozamiento

     Otras cargas
     Son las fuerzas y efectos causados
     por la contracción debida a:
     	      - retracciones de fraguado
     	      - cambios de humedad
     	      - asentamientos diferenciales
     	      - o a la combinación de varios
              de éstos
24   -Asentamientos
     A veces se presentan asentamientos
     de las fundaciones, bien por diferen-
     cias en la conformación del terreno,
     bien porque las cargas de las colum-
     nas sean muy distintas entre sí y no se             Asentamientos parejos
     hayan tomado precauciones suficien-                     fig. 4.22
     tes para igualar los asentamientos.
     Normalmente toda edificación sufre
     asentamientos, pero lo importante es        Es necesario estudiar muy cuidado-
     que, ni sean excesivos, ni sean muy         samente el “transporte” de las cargas
     diferentes entre sí (figs. 4.17 y 4. 18).   verticales, tanto en planta como en al-
                                                 zado (o elevación) pues son las cargas
     EFECTOS DE LAS CARGAS                       de más inmediata ocurrencia en una
     Son las deformaciones y fuerzas in-         estructura. Basta con hacer esque-
     ternas que producen las cargas ex-          mas sencillos basados en la estática
     ternas en los elementos estructura-         elemental para encontrar el área afe-
     les.                                        rente aproximada de cada columna
25
                                     Cubierta suspendida mediante cables fig. 4.24




      Asentamientos diferenciales
  	            fig. 4.23

y llegar así fácilmente a la carga total
que soporta cada una y así, si se va
a realizar un predimensionamiento, lle-
gar rápidamente a él. También sirven
para estudiar y determinar cuáles son
las posibles deformaciones y fuerzas
internas que producen las cargas en
los elementos estructurales.                  Cargas muertas          fig. 4.25
CLASIFICACION DE LAS CARGAS
     Las cargas se clasifican por su:							                             	
     									                                               TABLA No. 3	
     				                            	
     					                            Peso propio y	 - Muros
     	             PERMANENTES Cargas aferentes	 - Acabados
     			                  o					                     - Instalaciones 		
     		           MUERTAS					                       - Cerramientos

     TIEMPO O				          Uso
     DURACION			           Ejecución
     					                 Ecológicas ó            - Sismo
     	        VARIABLES 		 Naturales	              - Viento
     			           o		     		                      - Lluvia
     	        VIVAS				                            - Nieve
     							                                       - Granizo			
     		              				                          - Cambios de temperatura
     						                       	                - Accidentales - impacto
26   							                                       - Resonantes
     			
                                                                   P(k)
     		      CONCENTRADAS o PUNTUALES --------------------
     			
     					                   por VOLUMEN--------------                   K /m 3
     FORMA DE				            (peso del material)    €	
     ACTUAR  UNIFORMEMENTE 	
     		      REPARTIDAS 	    por SUPERFICIE-----------               K /m 2
     					                   (placas-uso-viento)        €	
     								
     					                   LINEALMENTE------------
                                                       €	
     					                   (vigas- muros-cables)
                                                                  K /m
     		


                                                          €
Esfuerzos de tracción
                LONGITUDINALES                                                     P(k)
                  o AXIALES                 P(k)                            P(k)
APLICACIÓN                                            Esfuerzos de compresión
RESPECTO
  AL EJE                                                               €	
                                 €	                            €	
                                                        K /m        P(k)
                TRANSVERSALES
                                                                                   P(k)
                                                       Esfuerzos de
                                            €	      flexión y de corte
                                                       €	
5 SISTEMA PORTANTE                          ARTICULADO DESLIZABLE o Apoyo
                                                             €	
                                            de primer grado.

Elemento o conjunto de elementos,           Restringe un efecto y genera un solo
interactuantes capaces de soportar y        tipo de reacción restringe el despla-         27
transmitir cargas.                          zamiento en un solo sentido (figs.
                                            5.1 y 5.2).
ACCION
Es el efecto que se produce en el ele-
mento al aplicarle una carga

REACCION
Es la respuesta que aparecen en el
apoyo cuando se aplica una carga.                                          RH

APOYOS
Es el elemento o vínculo del sistema                 RV
que sirve para transferir o trasladar las
cargas de un elemento a otro.
                                                   Apoyo articulado deslizable o de
Los apoyos se clasifican como:                      primer grado 		          fig. 5.1
ARTICULADO NO DESLIZABLE: o              EMPOTRAMIENTO o Apoyo de ter-
     Apoyo de segundo grado (figs. 5.3 y      cer grado (fig. 5.5).
     5.4)
                                              Restringe tres efectos y genera tres
     Restringe dos efectos y genera dos       tipos de reacciones - no permite des-
     tipos de reacciones - no permite des-    plazamiento vertical, horizontal ni giro.
     plazamiento ni vertical ni horizontal.


                                 RH
                                                   RH
              RV
                                              ME           RV
      Apoyo articulado no deslizable o de
     segundo grado      		        fig. 5.2     Empotramiento o apoyo de tercer
                                                   grado		       fig.5.3
28




                  Viga simplemente apoysda
               				       fig.5.4
Apoyo articu-                             Apoyo articulado fijo
   lado fijo            Apoyo articulado             fig. 5.7
       fig 5.5           fijo y deslizable
                              fig. 5.6




                                                                     29
                                                  Apoyo articula-
                                                do fijo  fig 5.10

Apoyo articulado fijo
      fig 5.8




Apoyo articulado fijo                          Apoyo empotrado
y empotramiento         Apoyo articulado
                                                     fig 5.12
      fig 511            fijo   fig. 5.9
Las fuerzas pueden ser Fuerzas Ex-           Una fuerza externa actúa sobre la
     ternas o Fuerzas Internas.                sección (fig. 5.6), de un elemento por-
     	                                         tante, esta fuerza fluye a traves del
     Fuerzas externas                          elemento portante hasta el apoyo y alli
     Una fuerza aplicada sobre un cuerpo       encuentra su reacción.
     es llamada fuerza externa; las cargas y
     las fuerzas de reacción constituyen las     Las fuerzas Externas y las Internas
     fuerzas externas. (fig. 5.4).             estan en equilibrio solo cuando el ele-
                                               mento portante puede soportarlas
               P            P      P




           R                        R               Barra sometida a compresión	
                                                   Fuerzas internas   fig. 5.14

        Fuerza externas 	       fig. 5.13
30
     Fuerzas internas
     Las fuerzas externas producen fuerzas
     internas en el elemento portante.                                   h
       Fuerzas internas son las fuerzas que
     actúan sobre la sección.

        La resistencia al cambio de movi-
     miento o cambio de forma que presen-
                                                              b
     ta el cuerpo sobre el cual se aplica la
     fuerza, se llama FUERZA INTERNA.
                                               Area de la sección   b x h       cm2
        Las deformaciones y esfuerzos que
     se producen en los elementos estruc-
     turales son debidos a la acción de las                  fig. 5.15
     cargas externas fig. 5.5).
MOMENTO                                      ESFUERZO DE TRACCION
El efecto producido sobre un cuerpo         Es el esfuerzo producido por la acción
por una fuerza de magnitud y dirección      de dos fuerzas longitudinales diver-
dadas, depende de la posición de la         gentes, que actúan sobre una misma
línea de acción de la fuerza. La distan-    línea de acción; producen alargamien-
cia desde un punto dado a la línea de       to y adelgazamiento figs. 5.7 y 5.8).
acción de una fueza se denomina bra-                     F
zo de la fuerza o brazo de momento                    σ = (kg /cm 2 )

de la fuerza,                                             A

                                               Los dos tipos principales de estruc-
M = P x d ( kg-m )(kilográmetro)            turas que trabajan a la tracción son los
                                            Cables y las membranas.
                                            €

                                                La forma más sencilla de cable es
                                            el tirante vertical sujeto en el extremo
                                            superior y con una carga gravitando
                                            abajo
ESFUERZO o TENSIÓN
Es la fuerza que actúa por unidad de                                                   31
superficie. Cuando se estudian las
fuerzas que actúan en la sección de
un elemento es necesario tener claro
el concepto de Esfuerzo o Tensión.

   Al considerar un trozo elemental de
la sección, se supone que la fuerza
actúa uniformemente distribuida sobre
ella, por lo cual la tensión en esta área
será s igual a la fuerza F dividida por                      10kg
el área.


                                                     Esfuerzo de tracción
                                                 	          fig. 5.16
ESFUERZO DE COMPRESIÓN                       El pandeo es un fenómeno de ines-
     Es el esfuerzo producido por la ac-        tabilidad elástica que puede darse
     ción de dos fuerzas longitudinales         en elementos esbeltos sometidos a
     convergentes, que actúan sobre la          compresión y que se manifiesta por
     misma línea de acción; producen            la aparición de desplazamientos im-
     acortamiento y ensanchamiento en           portantes transversales a la direc-
     los elementos cortos (fig. 5.9) y si el    cieon principal de compresión.Este
     elemento es largo o esbelto se produ-      fenómeno aparece principalmente
     ce además PANDEO.                          en pilares y columnas.

     Fórmula para el esfuer- σ = F (kg /cm 2 )
 - ESBELTEZ.
     zo de compresión para       A              La esbeltez es una característica me-
     un elemento corto.                         cánica de los elementos estructurales
                                                que relaciona la rigidez de la sección
                                                transversal de una pieza prismática
                   €                            con su longitud total (figs. 5.11 y 5.12).

                                                   Además se distingue entre los valo-
                                                res de esbeltez natural, dependientes
32                                              solo de las propiedades geométricas
                                                y mecánicas de la barra y esbeltez
                                                efectiva la cual tiene en cuenta tam-
                                                bién las condiciones de enlace o suje-
                                                ción en los extremos de la barra.

                                                   Si sobre una barra esbelta recta se
                                                aplica un esfuerzo normal de compre-
                                                sión, además de acortamiento de la
                                                misma aparece una deflexión desde la
                                                forma recta, lo cual se conoce como
                                                PANDEO. La magnitud de ese efecto
                                                depende de la esbeltez mecánica.

                                                  La esbeltez es la relación que existe
           Elemento corto sometido a            entre la sección de la barra, su longi-
         compresión        fig. 5.17            tud y su sistema de apoyo.
Generalmente en muchos edificios                               1/2
las columnas de la planta baja poseen     1/4
mayor altura que las de los pisos su-
periores por lo cual tienen más posi-
bilidades de sufrir pandeo y además
teniendo en cuenta que son las más
cargadas, su esbeltez las hace mas
susceptibles de presentar pandeo.         SK = 2h                    SK = h
   Las columnas trabajan generalmen-
te a la compresión, en el caso de las     1	                        4
columnas de acero su resistencia a
este esfuerzo es elevada, por ello las
secciones necesarias son mas peque-
ñas que en el caso del concreto. Por
lo general las columnas metálicas son
muy esbeltas por lo cual su sección       SK= 2/3 h                  SK = h/2
resistente es superior a las requeridas
por el esfuerzo axial al cual están so-         Casos de Euler 	        fig. 5.18
metidas.                                                                               33
                                          SK = longitud de pandeo
En edificios de altura, con grandes lu-
ces y cargas considerables, el riesgo
del pandeo es considerable.

            F                             Euler desarrolló la Ley sobre el pandeo
         σ = •W (kg /cm 2 )
              de soportes verticales y generó una
            A                             teoría con su trabajo sobre la carga
                                          crítica de las columnas fig. 5.10).

- LEY DE HOOKE                            La fórmula de Euler para las columnas
Las deformaciones son proporciona-
€                                         largas determina el valor de la carga crí-
les a los esfuerzos                       tica que ocasiona la falla por pandeo,
Columnas largas conformadas por
      dos elemento para evitar el pandeo             Columnas largas en madera
                   fig. 5.19                                 fig. 5.20


34   ESFUERZO DE FLEXIÓN
     Es el esfuerzo producido por la acción
     de fuerzas transversales al elemento,
     que producen deflexión.                                                            h
        La característica de este esfuerzo es
     la presencia simultánea de los esfuer-
     zos de tracción y de compresión. La
     deflexión o flecha es la ordenada de a            C                   eje neutro
     línea elástica o deformación transver-
     sal figs. 5.13, 5.14, 5.15, 5.16 y 5.17).

         M = Momento máximo flector - w
     = módulo de la sección                                T           Z = 2/3 h
                                                 Z
           M                    b ⊗ h2
      σ=     (kg /cm 2 )   w=          (cm 3 )
           w                      6                   Bloque de esfuerzo de flexión
                                                               fig 5.21

€                €
P

                                                                   eje neutro


Deflexión debida a la carga transversal                                 esfuerzo de
                                          P                             compresión


                                          flecha



           R                                               R            fig 5.22
      Se mejora la rigidez del elemento y la deflexión no se presenta

       Esfuerzo de flexión y deflexión causados por la fuerza transversal
                                                                                      35



                                                    eje neutro

                        C
   esfuerzo de compresión


                              T
           esfuerzo de tracción

                                  Esfuerzo de flexión            fig 5.23
ESFUERZO DE CORTE:
     Es el esfuerzo producido por la acción
     de las cargas al momento de llegar al
     apoyo.

     Corte Transversal Puro
     En la ménsula de apoyo de la viga se
     produce un esfuerzode corte puro en
     la sección
       b x h por efecto de la fuerza transver-
     sal. (figs. 5.18, 5.19 y 5.20).
                     V max
                  τ=        (kg /cm 2 )

                        A

                               P
      €
36



                         P          fig 5.24

              P

                                                 Cubierta en voladizo sostenida con
                                                  cable de acero	       fig. 5.26


            P                      fig 5.25
DEFORMACION
Es la variación (alargamiento, adelgazamiento, acortamiento, pandeo, deflexión,
cizallamiento otorsión) que sufre un elemento por la acción de las fuerzas al
producirse un esfuerzo en el.
	
   La cantidad de la deformación se mide mediante la Flecha.
		            f = flecha (cm)
									                                                          TABLA No. 4
                                 Fuerza Interna                        Formula
         Fuerza Externa                            Esfuerzo
                                  Deformación                          Unidades
                                Longitudinal       Tracción        F
                                                                     (kg /cm 2 )
                                Alargamiento                       A
                                Adelgazamiento
                                Longitudinal                               F
                                                                             (kg /cm 2 )
                                Acortamiento                        F    AW 2
                                Ensanchamiento
                                                     €
                                                  Compresión
                                                                   AW
                                                                      (kg /cm ) 

                                                                                               37
                                PANDEO

                                Transversal                    €
                                                    Flexión         M
                                                      €              2
                                                                       (kg /cm 2 )
                                Deflexión                          w
                                V                                           V
                                    (kg /cm 2 )                                  (kg /cm 2 )
                                b.h                                V        b.h 2
                                Transversal         Corte              (kg /cm )
                                                     €             b.h

                          €                                    €
                                                     €
6 REQUISITOS ESTA-                      cambio ni en su movimiento de trasla-
                                             ción ni en el de rotación. Cuando su-
     TICOS DEL SISTEMA                       cede esto se dice que el cuerpo está
     PORTANTE                                en equilibrio, lo que significa:

     - EQUILIBRIO – ESTABILIDAD - RI-        - Que el cuerpo en conjunto o perma-
     GIDEZ – RESISTENCIA                     nece en reposo o se mueve en línea
                                             recta a velocidad constante;
     EQUILIBRIO
     Garantiza que no se moverán ni el       - Que el cuepo no gira o que lo hace
     conjunto ni sus partes. A toda acción   con velocidad constante.
     se opone una reacción, de igual mag-
     nitud y de sentido contrario.           El equilibrio puede ser:

     Cuando varias fuerzas actúan simul-     Estable
     táneamente sobre un cuerpo, sus         Ante una fuerza el sistema cambia de
     efectos pueden compensarse entre        posición pero al cesar esta vuelve a su
     si, dando como resultado que no haya    posición inicial (fig. 6.1 (a)).
38



                                                              INESTABLE (b)
         ESTABLE (a)	




                            INDIFERENTE (c)                             fig 6.1
Inestable
La acción de una fuerza hace que cada          que relaciona la rigidez de la sección
vez se aleje más de su posición inicial        transversal de una pieza prismática
(fig. 6.1 (b)).                                con su longitud total.
	
Indiferente                                       Además se distingue entre los valo-
Ante la acción de una fuerza cambia            res de esbeltez natural, dependientes
de posición y al cesar ésta permanece          solo de las propiedades geométricas
en la nueva (fig. 6.1 (c)).                    y mecánicas de la barra y esbeltez
                                               efectiva la cual tiene en cuenta tam-
Ecuaciones de equilibrio:                      bién las condiciones de enlace o suje-
                                               ción en los extremos de la barra.
- Todas las fuerzas verticales
deben ser ontrarrestadas....................   - Esbeltez flexional.- si sobre una ba-
∑ Fv = 0                                       rra esbelta recta se aplica un esfuer-
	                                              zo normal de compresión, además de
- Todas las fuerzas horizontales               acortamiento de la misma aparece una
deben ser contrarrestadas .................    deflexión desde la forma recta, lo cual
∑Fh = 0                                        se conoce como PANDEO. La magni-
		                                             tud de ese efecto depende de la es-        39
- Todos los Momentos (giros)                   beltez mecánica.
deben ser contrarrestados .................
∑M =0                                            La esbeltez se define por la relación
                                               que existe entre la sección de la barra,
ESTABILIDAD                                    su longitud y su sistema de apoyo.
Garantiza que el sistema nó se moverá
con respecto al medio en que se en-               Las columnas trabajan generalmen-
cuentra. Que no se vuelque, que no se          te a la compresión, en el caso de las
hunda, que no se desplace.                     columnas de acero su resistencia a
  No hay estabilidad si se presentan:          este esfuerzo es elevada, por ello las
	     - Asentamientos,                         secciones necesarias son mas peque-
	     - Deslizamientos, o                      ñas que en el caso del concreto. Por
	     - Vuelco                                 lo general las columnas metálicas son
                                               muy esbeltas por lo cual su sección
 - ESBELTEZ                                    resistente es superior a las requeridas
La esbeltez es una característica me-          por el esfuerzo axial al cual están so-
cánica de los elementos estructurales          metidas.
En edificios de altura, con grandes    yor sean las dimensiones de la sección
     luces y cargas considerables, el riesgo   transversal, mayores serán las fuerzas
     del pandeo de las columnas es consi-      necesarias para deformarla.
     derable.                                  	
                                               - La rigidez de un material se evalúa
     RIGIDEZ                                   mediante su MODULO DE ELASTICI-
     Es la propiedad que tiene un material,    DAD (E).
     un elemento o un conjunto de elemen-      	
     tos de restringir las deformaciones       RESISTENCIA
     que tienden a producir los estados        Es la capacidad que tiene el material
     tensionales o esfuerzos.                  del cual está(n) hecho(s) un elemento
                                               o un conjunto de elementos, para opo-
       - La rigidez es inversamente propor-    nerse a la separación de sus partículas
     cional a la deformación.                  ante la acción de fuerzas internas. Es
                                               el comportamiento ante la rotura o sea
       - La rigidez de un material tiende a    la capacidad de soportar y transmitir
     oponerse a la deformación                 las cargas sin romperse.

       - Debe comprobarse la rigidez del       La resistencia de un elemento se define
40   material en el Laboratorio mediante       como su capacidad para resistir esfuer-
     pruebas específicas.                      zos y fuerzas aplicadas sin romperse,
                                               adquirir deformaciones permanentes o
       - Debe comprobarse la rigidez del       deteriorarse de algún modo (fig. 6.2).
     elemento estudiando su sección, su        - La evaluación de la resistencia de un
     forma, sus dimensiones, el área y la      material está en función de la magni-
     relación de sus dimensiones y sus         tud de la fuerza por unidad de área
     apoyos. (ver cuadro de propiedades        (ESFUERZO) que es capaz de sopor-
     de la Sección) (fig. 6.3)..               tar:

     - Los coeficientes de rigidez son mag-    Del material:
     nitudes físicas que cuantifican la ri-    - Esfuerzo de compresión - kg / cm2	
     gidez de un elemento resistente bajo      - Esfuerzo de tracción - kg / cm2		
     diversos estados de carga. Normal-        - Esfuerzo de Flexión - kg / cm2
     mente las rigideces se calculan como      - Esfuerzo de Corte - kg / cm2
     la razón entre una fuerza aplicada y el
     desplazamiento obtenido por la apli-
     cación de esas fuerzas. Cuanto ma-
Elemento no rígido pero resistente                Elemento rígido no
         	        	    fig 6.2                              resistente fig 6.3



                      Fuerza
         Esfuerzo =          (k /cm 2 )
                       Área
                                               lamente para lograr una solución inte-      41
  - Debe comprobarse la resistencia del        grada.
  elemento
€	- Debe comprobarse la resistencia del        ESTÉTICA
  conjunto.                                    La estética influye directamente sobre la
                                               estructura ya que el Arquitecto al impo-
  OTROS REQUISITOS                             ner sus postulados estéticos al Ingenie-
  Los siguientes son otros requisitos          ro, fija a menudo limitaciones importan-
  que deben tenerse en cuenta cuando           tes al Sistema Estructural (fig. 6.5).
  se esté planteando una construcción
  portante:                                    ECONOMIA
                                               Se refiere a la transmisión directa de
  FUNCIONALIDAD                                las cargas sin que tengan que hacer
  La estructura o el sistema portante          recorridos innecesarios. Además que
  debe corresponder al uso o destino. El       los materiales que se escojan deben
  diseño arquitectónico y la propuesta         ser los idóneos para la obra que se va
  estructural deben desarrollarse parale-      a adelantar.
Estructura en madera - cielo raso
                                           en madera       fig. 6.5	
         Cables sometidos a tracción	
                fig. 6.4


42




             Edificios en Vancouver 	       Edificios en Nueva York
     	               fig. 6.6                        fig. 6.7
TABLA No. 5
FUERZAS EXTERNAS              ESFUERZOS        DEFORMACIONES
   Viva      Volúmen    L T   TRACCION         Alargamiento -
C                      O R                     Adelgazamiento
A Muerta     Super-    N A    COMPRE-          Corto –Acortamiento
             ficie            SION
R                      G S                     Largo – (Esbeltez)
G                      I V                     PANDEO
A Viento     Puntual   T E    FLEXION          Deflexión
   SISMO     Lineal    U R    CORTE            Cizallamiento
   Temper.                    TORSION          Torcedura

  REACCIONES Y APOYOS         RESISTENCIA             RIGIDEZ


          EQUILIBRIO            MATERIAL         E = MATERIAL             43
          ∑ Fv = 0              σTracción -    Módulo de Elasticidad
                               σCompresión -
                                 τCorte
                              ELEMENTO Y           I Sección
                               CONJUNTO
                                                Momento de inercia
          ∑ FH = 0             A - AREA
                                sección
                                  L-                       L
                               LONGITUD        Longitud del tramo mayor
           ∑M=0                APOYOS y
                                CARGAS
                                                      APOYOS
                      SISTEMA      PORTANTE
7 BIBLIOGRAFÍA

     - Allen, E. COMO FUNCIONA UN EDIFICIO, Principios Elementales, E. Gustavo
     Gilli
     - CARTILLA DE LA CONSTRUCCION CON MADERA, Junta del Acuerdo de
     Cartagena, PADT, REPORT, JUNAC
     - CUADERNOS DE TRABAJO. Departamento Construcción Facultad Artes, Uni-
     versidad Nacional,
     - Otto, Frei. CONSTRUCCION DE EDIFICIOS, Labor, Buenos Aires
     - Blum, G.H . TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION, Blum, Madrid
     - Mansbridge, John, HISTORIA DE LA ARQUITECTURA, E. Victor Laru, Buenos
     Aires
     - Hodgkinson, Ed. Allan. MANUALES A.J., ESTRUCTURAS, H. Blume Edicio-
     nes, Rosario 17, Madrid
     - N.S.R. NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO
     RESISTENTE, Ley 400 de 1997, Decreto 33 de 1998, AIS
44   - Sears y Zemansky, FISICA GENERAL, Ed. Aguilar, Madrid
     - S. Timoshenko y D.H. Young, MECANICA TECNICA, Librería Hachette S.A,
     Buenos Aires
     - Waarland, E.G. CONSTRUCCION MODERNA EN BARCELONA. Gustavo Gilli
CRÉDITOS FOTOGRÁFICOS
                                          FUENTES y DIBUJOS

- Constanza Murcia : figs. 4.1, 4.4, 4.6, 4.10, 4.11, 4.12, 4.24, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7,
5.11, 5.12, 5.19, 5.26, 6.6 y 6.7
(Dibujos tomados de - Revista Escala, Como Funciona un Edificio y Cuadernos
de Trabajo y adaptados o modificadps por la autora) figs. 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5,
3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14, 3.15, 3.16, 3.17, 3.18, 4.3, 4.5, 4.7,
4.13, 4.14, 4.15, 5.2, 5.3, 5.13, 5.14, 5.15, 5.16, 5.17, 5.18, 5.21, 5.22, 5.23, 5.24,
5.25, 6.1, 6.2 y 6.3

- Natalia Onatra fig. fig. 5.20

- Davies, Richard: foto Arquitectura del Siglo XX: fig. 5.8                                45
- Revista TIME internacional No. 44 Octubre 30, 1989.(pags. 8 a 25) figs. 4.14,
4.16, 4.17, 4.18, 4.19 y 4.20

- Europen Masters Annual of Architecture 1 y 2. Fifs. 2.1, 2.2, 2.3, 3.19, 4.2, 4.5,
4.7, 4.8, 4.9, 5.9, 5.10, 6.4 y 6.5
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Fisica para arquitectos

  • 1. FISICA para arquitectos (Apuntes) Recopilación y resúmen Arq. Constanza Murcia
  • 2. FÍSICA Para arquitectos (APUNTES) Recopilación y resúmen: Directivos Arquitecta CONSTANZA MURCIA P. José Antonio Balaguera Cepeda, O.P. Profesora Facultad de Arquitectura Rector General UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS TUNJA P. Luis Alberto Orozco, O.P. Rector Seccional Tunja P. Tiberio Polanía Ramírez , O.P. Asesoría Técnica y estructural Vicerrector Académico JOSE HUGO MARTÍNEZ T. Ingeniero de Estructuras P. Erico Juan Macchi Céspedes, O.P. Vicerrector Administrativo y Financiero Primera edición Arq. Nelson Ricardo Barreto Cetina Abril 2011 Decano Facultad de Arquitectura Diseño y diagramación Galo Cristhian Numpaque Acosta Arq. Constanza Murcia y Director Centro de Investigaciones Departamento de Comunicaciones Universidad Santo Tomás - Tunja Impreso Editorial Tunja - Boyacá
  • 3. hidrostáticas ......................... 23 ÍNDICE - Agentes mecánicos ................ 24 - Asentamientos ........................ 2 1 DEFINICIÓN ............................ 1 - Efectos de las cargas ............. 24 2 PARTES DE LA FÍSICA ........ 1 - Clasificación de las cargas .... 26 - ACÚSTICA .............................. 4 27 - ONDULATORIA ........................ 1 - ELECTRICIDAD ....................... 2 5 SISTEMA PORTANTE ........... 27 - MAGNETISMO ....................... 2 - Acción ............................................. 27 - FÍSICA ATÓMICA .................. 2 - Reacción ........................................ 27 - MECÁNICA .............................. 2 - APOYOS ........................................ 27 - FLUÍDOS .................................. 3 - Fuerzas externas ........................... 30 - ÓPTICA .................................. 3 - Fuerzas internas ............................ 30 - TERMOLOGÍA ......................... 3 - ESFUERZOS .................................. 31 - ESFUERZO DE TRACCIÓN ........... 31 3 ESTÁTICA .............................. 5 - ESFUERZO DE COMPRESIÓN ..... 32 - Fuerzas ..................................... 5 - Esbeltez .......................................... 32 - Vectores ................................. 5 - Ley de Hooke ................................. 33 - EQUILIBRIO ........................... 5 - ESFUERZO DE FLEXIÓN ........... 34 - LEY DE LAS PALANCAS ......... 7 - ESFUERZO DE CORTE ................. 36 - MOMENTO .............................. 10 - DEFORMACIÓN ............................. 37 - PAR DE FUERZAS .................. 10 - TABLA 4 - Tipos de esfuerzos ...... 37 - BARICENTRO O CENTRO DE GRAVEDAD............................... 11 6 REQUISITOS ESTÁTICOS DEL SISTEMA PORTANTE ..... 38 4 CARGAS .................................. 12 - Equilibrio ....................................... 38 - Cargas de gravitación ................ 12 - Estabilidad ...................................... 38 - Cargas muertas ............................ 12 - Rigidez ........................................... 40 - Cargas vivas ................................. 13 - Resistencia .................................... 40 - Fenómenos naturales .................. 14 -Otros requisitos ........................... 41 - Viento ........................................... 15 - TABLA 5 - Sistema potante ............... 43 - Temperatura ................................ 15 - TABLA 1 Peso materiales ......... 18 7 BIBLIOGRAFÍA ......................... 44 - TABLA 2 - Cargas vivas ............ 19 - Fuentes, referencias y - Cargas sísmicas ........................ 20 Créditos fotográficos ................. 45 - Empuje de tierra y cargas
  • 4.
  • 5. 1 DEFINICIÓN Física es un término que proviene del griego “phisisy” que significa realidad o naturaleza. Es la ciencia que estudia las propiedades generales de la naturaleza y con la asistencia del lenguaje matemático, establece las leyes de los fenóme- nos naturales. La física se encarga de las propiedades de la materia, la energia, el tiempo y sus interacciones. Es la disciplina académica mas antigua a traves del estudio de la astronomía. Esta tarea comenzó hace mas de dos mil años con los primeros trabajos de los filosofos griegos (Demócrito, Epicuro o Aristóteles) Es la ciencia encargada de estudiar la materia, la energía y las leyes que tienden a modificar su estado y movimiento sin alterar su naturaleza. ESPACIO, TIEMPO Y MASA 1 2 PARTES DE LA FÍSICA ACÚSTICA Movimiento ondulatorio Onda. - Estudia la propagación y absorción Es una perturbación que viaja a tra- de las ondas sonoras. vés del espacio o en un medio elásti- co transportando energía sin que haya ONDULATORIA desplazamiento de la masa. Consis- - Estudio de las ondas producidas por te en oscilaciones (variaciones en el el sonido y las vibraciones tiempo de un medio o sistema) que se Movimiento armónico simple propaga en el espacio. Es un movimiento periódico que que- da descrito en la función del tiempo Sonido. por una función armónica. Se define Es una onda mecánica longitudinal como un movimiento periódico produ- porque las partículas del medio vibran cido por una fuerza recuperadora. en dirección de la propagación de las
  • 6. ondas. Las ondas sonoras se produ- MAGNETISMO cen al vibrar la materia. Ej. El golpe en Electromagnetismo la campana. Interacción de campos eléctricos y magnéticos. Campo magnético es el Vibración es causada por todos los flujo magnético por unidad de área; es sonidos y el aire sirve como medio una región del espacio en el cual una para su propagación. carga eléctrica puntual de un deter- minado valor se desplaza a una velo- ELECTRICIDAD cidad, sufre los efectos de una fuerza Electrostática: cargas eléctricas. que es perpendicular y proporcional, Estudia los fenómenos producidos tanto a la velocidad como al campo, por distribuciones de cargas eléctri- llamada inducción magnética o densi- cas, esto es, el campo electrostático dad de flujo magnético. de un cuerpo cargado. Es un fenó- meno que se debe a la acumulación Electrónica de cargas eléctricas en un objeto, se Estudia las propiedades de los produce cuando ciertos materiales se electrones. Es la rama de la física y frotan uno con otro. El proceso de fro- especialización de la ingeniería que 2 tamiento causa que se retiren los elec- trones de la superficie del material y estudia y emplea sistemas cuyo fun- cionamiento se basa en la conduc- se reubiquen en la superficie del otro ción y control del flujo microscópico material que ofrece niveles energéti- de electrones y otras partículas car- cos mas favorables. gadas eléctricmente. La energía Potencial es la capacidad FÍSICA ATÓMICA que tienen los cuerpos para realizar un Estudio teórico y experimental las trabajo (W) debido a la configuración propiedades y leyes del átomo aislado. que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre si. Se pue- MECÁNICA de tomar como la energía almacenada Estudia las leyes relacionadas con las en un sistema o como una medida del fuerzas y el movimiento de la materia. tiempo de trabajo que un sistema pue- de entregar. Estática Estudia las leyes de equilibrio de los Electrodinámica cuerpos sometidos a la acción de las Estudia la corriente eléctrica: fuerzas.
  • 7. Cinemática TERMOLOGÍA Estudia el movimiento demlos ob- Estudia los fenómenos en los cuales jetos con independencia de las fuer- intervienen el calor y la temperatura. zas que lo producen. Se dice que un cuerpo está en movimiento cuando al Calor transcurrir en tiempo ocupa lugares Por cantidad de calor que se en- distintos; la posición se da siempre en cuentra en un cuerpo se entiende el relación con un sistema de referencia. contenido energético que posee este cuerpo en forma de energía cinética Dinámica o Cinética debido al movimiento desordenado de Estudia el movimiento según las fuer- sus moléculas. zas que lo producen. Se clasifica en: Temperatura o efectos del calor - Dinámica: de los sólidos La temperatura es la medida del va- - Dinámica: de los líquidos o hidrodi- lor medio de la energía cinética de las námica moléculas aisladas. Es una magnitud - Dinámica: de los gases o aerodiná- que determina el sentido en el que tie- mica nen lugar los cambios caloríficos entre FLUÍDOS los cuerpos 3 Hidrostática Calorimetría Estudia el equilibrio de los fluidos en Estudia el calor que se desprende reposo de los procesos biológicos, físicos o Hidrodinámica químicos Estudia el movimiento de los fluidos Termodinámica ÓPTICA Estudia las relaciones entre el calor y las Estudia la producción, propagación restantes formas de energía, los fenóme- y absorción de las ondas visibles. Es el nos en los que existe la transformación estudio de todas las radiaciones emiti- de energía mecánica en calorífica o vi- das por las fuentes luminosas que im- ceversa, “fenómenos termodinámicos”. presionan o no la retina. Fotometría Estudia la medición de la luz Colorimetría Estudio sobre el color
  • 8. Cáscaras y reticulados fig. 2.2 Estructuras reticuladas fig. 2.1 4 Estructura en acero y concreto fig. 2.3
  • 9. dos superficies 3 - ESTÁTICA - Las fuerzas sísmicas Parte de la mecánica que estudia las Vector leyes de equilibrio de los cuerpos so- Vector es la representación de una metidos a la acción de las fuerzas fuerza. Estudia los problemas de equilibrio Una fuerza es definida por su: magni- de los cuerpos rígidos. Aunque ningún tud, sentido y punto de aplicación. cuerpo es absolutamente rígido y to- dos los cuerpos se deforman bajo la Magnitud acción de las cargas, esta deforma- La magnitud de una fuerza se repre- ción es muy pequeña y en algunos senta mediante la longitud del vector casos hasta se puede desechar en el (fig. 3.1) momento de estudiar las condiciones de equilibrio. Las deformaciones son tratadas en el capítulo sobre la resis- tencia de materiales y la teoría de la magnitud elasticidad. 5 fig.3.1 La estática establece las condicio- Dirección y Sentido nes que deben cumplir las fuerzas que El sentido y la dirección se represen- se aplican a un cuerpo para que este tan mediante la dirección de la flecha se halle en equilibrio. (fig. 3.2). Fuerza Es toda acción que tiende a alterar el estado de reposo de un cuerpo sobre el cual se aplique. Se conocen como fuerzas las siguientes: - Fuerza de gravitación o peso pro- pio. - Presión del viento sobre las pare- des de un edificio - La presión atmosférica fig.3.2 - La resistencia de rozamiento entre
  • 10. Punto de aplicación cuerpo en el punto A, su acción es - Es el punto del cuerpo en el que pue- equivalente a la de una única fuerza, de suponerse concentrada o aplicada representada por el vector AD, obte- la fuerza (fig. 3.3). nida como diagonal del paralelogramo construido sobre los vectores AB y AC y dirigida en la forma que indica la fi- gura: B Componente D Resultante A fig. .3.3 a Componente C 6 EQUILIBRIO Estado de reposo de un cuerpo resul- Paralelogramo de fuerzas tante de la acción de fuerzas que se fig.3.4 contrarrestan. Cuando cualquier siste- ma de fuerzas actúa sobre un cuerpo, el problema general de la estática con- La fuerza AD constituye la resultante siste en hallar las condiciones que el de las dos fuerzas AB Y AC, las cua- sistema debe cumplir para mantener les se denominan componentes de la el equilibrio del cuerpo fuerza AD (fig. 3.4). Lo anterior equiva- le a decir que una fuerza es equivalen- Aplicando los principios de la estática te a sus componentes y viceversa. se pueden solucionar los problemas del equilibrio: Segundo principio Primer principio. Dos fuerzas pueden estar en equilibrio Paralelogramo de fuerzas únicamente en el caso en que sean Si dos fuerzas representadas por los de igual magnitud y que actuando a vectores AB y AC que forman entre lo largo de la misma recta de acción, sí un ángulo a están aplicadas a un tengan direcciones opuestas (fig. 3.5).
  • 11. LEY DE LAS PALANCAS tracción Se conoce como palanca a la barra rí- gida, móvil alrededor de un punto de apoyo, (llamado fulcro) que sirve para transmitir una fuerza. fig.3.5 compresión ` Se utiliza para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, para incrementar la distancia recorrida o su velocidad en respuesta a la apli- Tercer principio cación de una fuerza. La finalidad de Cualquier presión ejercida sobre un la palanca es poder mover una carga apoyo determina una presión y de sen- grande a partir de una fuerza o poten- tido contrario por parte del apoyo, de cia pequeña. manera que acción y reacción son dos fuerzas iguales y de sentido contrario. Son de dos tipos o género: Palanca de primer género o 2P 2P 2P Palanca de dos brazos En esta el punto de apoyo C se en- 7 cuentra situado entre la palanca la fuerza (potencia) y la carga (resisten- cia). (fig. 3.7). Ejemplos: balancín, tije- ras, tenazas, alicates, remos (figs. 3.9, R1 = 3P R1 = 3P 3.10). fig.3.6 CARGA FUERZA La sumatoria de las fuerzas de acción C es igual a la sumatoria de las reaccio- a b nes (fig. 3.6). Palanca de dos brazos fig.3.7 2P + 2P + 2P = R1 + R2
  • 12. Palanca de segundo género o Palanca de un solo brazo Palancas de dos brazos En esta la carga (resistencia) se en- cuentra entre el punto de apoyo C y la fuerza (potencia) (fig. 3.8) Ejemplos: la carretilla y el cascanue- ces (figs. 3.11 y 3.12). FUERZA CARGA Tijeras fig. 3.9 C acción a b reacción Punto de Palanca de un brazo fig.3.8 giro Palancas de un brazo 8 reacción reacción ALICATES acción Alicates fig.3.10 punto de giro acción acción reacción Carretilla fig. 3.11 punto de giro acción reacción Cascanueces fig. 3.12
  • 13. El funcionamiento de la palanca está basado en una Ley que se denomina P=54 k R=90 k Ley de los momentos. Si se analiza el caso de un balancín el que al lado derecho se ubica un a persona de 54 kilos y en el de la izquierda se sienta una de 90 kilos; para que el balancín funcione la persona de mayor peso a= 2.0 b=1.2 deberá situarse más cerca del punto de giro y la delgada deberá hacerlo en el extremo de brazo. Balancín fig. 3.13 Por un lado se tienen las dos fuerzas del peso de cada persona que actúan Fuerza x brazo = Carga x brazo hacia abajo y por otro la fuerza de re- M2 = + (b x R) acción que actúa hacia arriba. El peso M1 = -(90 x 1.20 ) = 108 k-m de 90 kilos haría girar el balancín en el M2 = +( 54 x 2.0 ) = 108 k-m sentido de las aguja del reloj y el de 54 en la haría girar en el sentido contrario; Los momentos son iguales; esta es la 9 como el balancín permanece en equi- condición de equilibrio de una palanca librio, la capacidad para producir giro y la ley de equilibrio de los momentos. de una fuerza no depende solamente de su valor sino de la distancia que Una palanca estará en equilibrio cuan- hay entre el punto de giro y el punto do el momento ejercido por la poten- de aplicación de cada fuerza, lo que cia sea igual al momentp ejercido por se llama brazo. Cuanto mayor sea el la resistencia. Si los momentos no son brazo mayor será la capacidad de giro iguales, el sistema gira, imponiendo el y esta capacidad se le llama momento. sistema de giro la fuerza que produce un momento mayor. El balancín es una palanca y como Matemáticamente la ley de equilibrio cualquier palanca sobre ella actúan de la palanca se puede expresar: tres fuerzas (fig. 3.13). Pxa =Rxb El momento de una fuerza se obtiene multiplicando la longitud del brazo por Donde P es la potencia, a la longitud el valor de la fuerza. de su brazo, R la resistencia y b la lon- M1 = - (a x P )
  • 14. gitud de su brazo. Cuanto mayor sea M1= - a x P el valor de a mayor será el peso que se SM=0 podrá mover. M2 = + b x S Los momentos o pares de fuerza se PAR DE FUERZAS representan por medio de una flecha Se denomina par de fuerzas a un siste- curva según el sentido del giro. ma de dos fuerzas iguales y paralelas que actúan al mismo tiempo sobre un cuerpo en direcciones opuestas (fig. 3.15). Este sistema no puede reducirse M M a una única fuerza resultante por estar compuesto por dos fuerzas paralelas. Sentido del giro del par de fuerzas fig. 3.14 P1 Brazo del par P2 10 MOMENTO DE GIRO Una fuerza produce un momento C a D cuando hay una distancia diferente de cero entre la fuerza y sus reacciones y cuando actúa en un material rígido ca- Brazo del par de fuerzas paz de absorber momentos (fig. 3.14). fig. 3.16 La suma algebraica de los momentos P de las dos fuerzas del par es indepen- S diente de la posición en el plano del par, del punto de giro de los momen- tos y es igual al producto de la magni- tud de cualquiera de las fuerzas por el a b brazo del par (fig. 3.16). fig. 3.15
  • 15. En resúmen un cuerpo está en equi- BARICENTRO o CENTRO DE GRA- librio bajo la acción de las cargas ex- VEDAD ternas (W y H), cuando se cumplen las En geometría el baricentro o centro de tres condiciones : gravedad de una superficie contenida en una figura geométrica plana es un S Fuerzas verticales = 0 punto tal que cualquier recta que pasa por el, la divide en dos partes de igual S Fuerzas horizontales = 0 momento respecto a dicha recta. S Momentos = 0 En física el baricentro de un cuerpo material coincide con el centro de las masas del mismo, cuando el cuerpo es homogéneo (densidad uniforme), o cuando la distribución de la materia en el cuerpo tiene ciertas propieda- des tales como la simetría. W La gravedad es la fuerza teórica de atracción que experimentan entre sí H los objetos con masa. Tiene relación 11 h con la fuerza que se conoce como A peso. Los efectos dela gravedad son B siempre atractivos y la fuerza resul- tante se calcula respecto al centro de gravedad de cada objeto. R a b CENTRO DE GRAVEDAD: (CG) es el L punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas masas ma- teriales de un cuerpo. El Centro de gravedad en las figuras Equilibrio de las fuerzas regulares se encuentra en el cruce de fig. 3.17 las diagonales (fig. 3.18).
  • 16. 4 CARGAS DEFINICION Carga es un agente físico capaz de producir estados tensionales en un cuerpo (esfuerzos). Ubicación del centro de gravedad Son fuerzas u otras solicitaciones fig. 3.18 que actúan sobre el sistema estructu- ral y provienen del peso de todos los elementos permanentes en la cons- trucción, los ocupantes y muebles, de los efectos ambientales y de los cam- bios dimensionales que se restringen. Las cargas permanentes son cargas que varían muy poco con el tiempo. Se consideran como cargas de una 12 estructura toda las acciones externas que producen en ella esfuerzos, defor- maciones. Origen de las cargas: - Gravitación - Fenómenos Naturales - Agentes Mecánicos - Otros CARGAS GRAVITACIONALES PESO W (fuerzas) Se llaman también cargas verticales. Son la debidas a la acción de la grave- Museo Guhenheim - Bilbao dad sobre los cuerpos. fig.3.19 Pueden ser:
  • 17. CARGAS MUERTAS Son las cargas verticales debidas al peso de todos los elementos permanentes, ya sean estructurales o no. Incluyen todos los elementos de la construcción, como los muros, placas, cubiertas, cielos ra- sos, escaleras, equipos permanentes, tanques y sus contenidos y todas aque- llas cargas que no son causadas por la ocupación y uso de la edificación. (Ver tabla No. 1). Al calcular las cargas muertas deben utilizarse los pesos reales de los mate- riales. Debe ponerse especial cuidado en determinar los pesos representati- vos en éste cálculo. 13 CARGAS VIVAS Son carga debidas al uso y ocupación de la edifiscación, las cargas de vien- to o sismo, llamadas también cargas Carga viva fig.4.1 ocasionales, los muebles, equipos, personas, divisiones móviles (fig.3.20). equipos y trabajadores utlizados en el mantenimiento y las causadas por Las cargas vivas que se utilicen en el objetos móviles y por las personas diseño de la estructura deben ser las que tengan acceso a ellas, por el cargas máximas que se espera ocu- viento, el granizo, la lluvia y la nieve. rran en la edificación, debidas al uso que ésta va a tener. En ningún caso estas cargas vivas utilizadas en el di- Empuje en pasamanos y en ante- seño estructural, pueden ser menores pechos que las que se indican (TABLA No. 2). Las barandas y pasamanos de escale- ras y balcones, tanto exteriores como Cargas en cubiertas interiores y los antepechos, deben di- Las cargas vivas en cubiertas son señarse para que resistan una fuerza aquellas causadas por materiales, horizontal de 75 k/m (kilos por metro
  • 18. lineal) aplicada en la parte superior del elemento. Cargas de impacto Cuando una estructura queda someti- da a carga viva generadora de impac- to, la carga viva debe incrementarse en los siguientes valores: - Soportes de elevadores y ascensores ............................... 100% - Vigas de puente gruas con cabina de operación y sus conexiones .............................. 25% - Vigas de puente gruas operados por control remoto y sus conexiones ..........10% - Apoyos de maquinaria 14 liviana movida mediante motor eléctrico o por un eje ...... 20% FENÓMENOS NATURALES -Agentes Atmosféricos: - viento: - presión del aire - succión del aire - lluvia Empuje de tierra fig. 4.2 - nieve - granizo - Agentes Térmicos - dilatación - contracción - Movimientos Sísmicos - Empuje de tierra - presión tierra - Cargas hidrostáticas - presión fluídos
  • 19. Viento En las ciudades del interior de Co- Se considera que actúa perpen- lombia el viento no suele ser la fuerza dicularmente a las superficies: en determinante del diseño; sin embargo general se presenta en forma de tor- debe comprobarse que el edificio ten- bellinos y su intensidad y variación ga la suficiente rigidez para que no se dependen tanto del sitio como de la experimenten movimientos desagra- forma y altura de la edificación. Es dables en los pisos superiores. importante tener en cuenta no solo la presión directa en las caras que reci- Agentes térmicos ben el viento, sino también la succión - dilatación en las caras opuestas ((fig. 4.2). - contracción Temperatura Si un cuerpo puede dilatarse libre- mente, sin obstáculos cuando varía la temperatura, no se presentan es- SUCCIÓN fuerzos adicionales en él; si se impide PRESIÓN esa libre dilatación, aparecen efectos adicionales. 15 dirección del viento Dirección del viento fig. 4.3 Edificios de Manhathan fig. 4.4
  • 20. Presión de tierra fig, 4.5 Carga viva fig. 4.6 16 Carga viva sobre estructura Carga viva fig. 4.8 neumática fig. 4.7
  • 21. Carga viva y muerta fig. 4.9 17 Carga viva fig. 4.10 Carga viva fig. 4.11 Carga viva fig. 4.12
  • 22. TABLA No. 1 CARGAS MUERTAS DE DISEÑO CONCRETOS K/m3 MADERAS k/m3 SUELTOS k/m3 Ordinario(Simple) 2.300 Acacia (Olmo) 720 Arena 2,000 De Escoria 1200 Alamo 480 Cal viva 850 De piedra pomez 1100 Eucalipto 900 Cal apagada 1400 Reforzado 2400 Fresno 700 Cal en polvo 1000 Asfáltico 1900 Pino 600 Cemento 1400 3 MORTEROS k/m3 METALES k/m Yeso en polvo 1.250 De Cemento 2.100 Acero, Hierro 7.850 Yeso en terrones 1850 De Cal 1.900 Aluminio 2.700 ROCAS k/m3 2 MAMPOSTERIA k/m2 CUBIERTAS k/m Granito 2.800 Ladrillo Prensado tabicón 0.25 404 Teja asbesto cemento Marmol 2.700 tabique 0.15 240 Placa ondulada 18 Piedra arenisca 2.400 Lad. hueco No. 4 Canaleta 43 ACABADOS EN 91 30 k/m2 MUROS No. 5 120 Canaleta 90 22 Pañete esp. = 0.025 50 18 Sillería de piedra de 0.40 960 Teja placa barro sobre 75 espesor = 0.03 60 Teja barro sobre de 0.60 1.440 75 espesor = 0.04 80 enmaderado ACABADOS EN Madera Enchape madera k/m2 20 10 PISOS impermeabilizada Afinado esp. = 0.05 100 Shingle sobre placa 10 Enchape cerámica 30 Alfombra Pizarra ACABADOS EN 40 30 k/m2 CIELOS RASOS Asfalto espesor = 0.05 Pendientado losas 125 cubierta 150 Mortero sobre malla 80-100 Madera entresuelo- Teja lamina Mortero sobre listón- arriostramiento- 120 galvanizada-zinc 5 guadua 40 cielo raso pañete Cerámica 30 Teja plástica 10 Acústicos 125 Granito 30 Teja de aluminio 5 Abesto cemento 15 Mosaico 30 Paja 10 Madera 10-50 Vinisol 10 Baldosín de cemento 50 Parquet 20
  • 23. TABLA No. 2 2 ALMACENES k/m ESCALERAS 300 de oficinas y viviendas Detal 350 Por mayor 500 FABRICAS Livianas 500 AZOTEAS Y TERRAZAS Pesadas 1.000 Igual al resto de la edificación GARAJES BIBLIOTECAS Automóviles 250 Salas de lectura 200 HOSPITALES COLISEOS – ESTADIOS Cuartos 200 19 Graderías 400 Salas de Operaciones 400 CUBIERTAS HOTELES 200 Inclinadas igual o mayor a 35 15% de pendiente OFICINAS 200 DEPOSITOS Livianos 500 SALONES D E REUNION Pesados 1.000 Con asientos fijos 500 Sin asientos fijos 1.000 EDUCACION k/m2 Escuelas, colegios 200 VIVIENDA 180 universidades Datos tomados de NSR-98 Normas Colombianas de Diseño y Construc- ción Sismo Resistente Ley 400 de 1997 - Decreto 33 de 1998, para las Tablas Nos. 1 y 2
  • 24. Cargas Sísmicas que presenta el diseño antisísmico, Son las producidas por el movimien- pues es muy dificil predecir la índole to vibratorio de la tierra. Constituyen e intensidad de los sismos que pue- quizás las cargas laterales de mayor dan presentarse en una determinada importancia en una construcción. En localidad. general se originan por la liberación de energía en algún punto de la tierra, la Cuando se produce un sismo, los cual es transmitida por movimientos edificios entran en vibración y como ondulatorios que al atravesar las dife- consecuencia de ello se producen rentes capas de la tierra van cambian- fuerzas de inercia, fuerzas de amorti- do de dirección y de características. guación y fuerzas de rigidez. Según el sismólogo inglés Milne, en la tierra ocurren unos 80.000 movimien- Estas fuerzas tienen que estar en tos sísmicos por año, de los cuales equilibrio en cada piso; para compro- unos 25.000 se presentan en las pla- bar esto, se le aplican al edificio un taformas continentales y el resto en el grupo de fuerzas horizontales que si- mar, en donde originan los llamados mulan el efecto de un sismo.(fig 4.15). maremotos o tsunamis y apenas uno por mil de los sismos continentales La intensidad de esas fuerzas y la for- 20 son de consideración. ma como se reparten en la altura del edificio dependen de la concentración El punto donde se origina el sismo de la cargas muertas en cada piso y de se llama hipocentro o foco y el corres- las características físicas de la estruc- pondiente punto en la superficie se lla- tura. Una estructura elástica recibirá ma epicentro (fig 4.13). A medida que fuerzas menores que una rígida. las ondas se apartan del hipocentro, sus períodos de vibración tanto de Puesto que los sismos se presentan en las componentes longitudinales como cualquier dirección, es necesario que transversales van aumentando y su la estructura esté diseñada para esta efecto sobre las edificaciones es me- circunstancia desfavorable. Aunque nor . se ha investigado mucho últimamente sobre el efecto de los sismos en los Un movimiento sísmico se caracte- edificios, todavía no se sabe la influen- riza por su aceleración, su velocidad cia de las características del suelo en y su desplazamiento, que son erráti- el comportamiento de las estructuras. cos en dirección, magnitud, duración En Colombia las zonas sísmicas de y secuencia; de ahí las dificultades más intensidad son los Santanderes
  • 25. EPICENTRO SUPERFICIE DE LA TIERRA HIPOCENTRO fig 4.13 21 Daños en autopista fig. 4.14 (Bucaramanga y Cúcuta), Bogotá, Hui- la (Neiva), Caldas (Manizales), Quindío (Armenia). Nariño (Pasto), Valle (Cali), Antioquia (Medellín), en menor grado la Costa Atlántica y los Llanos orien- Simulación de las fuerzas tales. El mapa sísmico y tectónico de que actúan durante un sis- Colombia dá una idea clara de la con- centración de las fallas en el país. mo fig. 4.15
  • 26. Efectos en edificio de 7 pisos fig. 4.16 Daños en viaducto fig. 4.17 22 Efectos de un sismo Daño en columna Efectos en edificio de fig. 4.18 fig. 4.19 3 pisos fig. 4.20
  • 27. Empuje de tierra y Cargas Hidrostáticas Son las cargas debidas a fluídos de los cuales se conoce su peso específico, su presión y su máxima variación en altura. Nivel del terreno Nivel Empuje freático del agua Nivel freático no natural 23 Muro de contención Empuje de tierra Empuje de agua y tierra fig. 4.21
  • 28. AGENTES MECÁNICOS Las cargas debidas a agentes mecá- nicos pueden ser vibraciones perma- nentes y a impactos o movimientos fuertes de alguna maquinaria instalada dentro de la edificación. - vibraciones - impacto - rozamiento Otras cargas Son las fuerzas y efectos causados por la contracción debida a: - retracciones de fraguado - cambios de humedad - asentamientos diferenciales - o a la combinación de varios de éstos 24 -Asentamientos A veces se presentan asentamientos de las fundaciones, bien por diferen- cias en la conformación del terreno, bien porque las cargas de las colum- nas sean muy distintas entre sí y no se Asentamientos parejos hayan tomado precauciones suficien- fig. 4.22 tes para igualar los asentamientos. Normalmente toda edificación sufre asentamientos, pero lo importante es Es necesario estudiar muy cuidado- que, ni sean excesivos, ni sean muy samente el “transporte” de las cargas diferentes entre sí (figs. 4.17 y 4. 18). verticales, tanto en planta como en al- zado (o elevación) pues son las cargas EFECTOS DE LAS CARGAS de más inmediata ocurrencia en una Son las deformaciones y fuerzas in- estructura. Basta con hacer esque- ternas que producen las cargas ex- mas sencillos basados en la estática ternas en los elementos estructura- elemental para encontrar el área afe- les. rente aproximada de cada columna
  • 29. 25 Cubierta suspendida mediante cables fig. 4.24 Asentamientos diferenciales fig. 4.23 y llegar así fácilmente a la carga total que soporta cada una y así, si se va a realizar un predimensionamiento, lle- gar rápidamente a él. También sirven para estudiar y determinar cuáles son las posibles deformaciones y fuerzas internas que producen las cargas en los elementos estructurales. Cargas muertas fig. 4.25
  • 30. CLASIFICACION DE LAS CARGAS Las cargas se clasifican por su: TABLA No. 3 Peso propio y - Muros PERMANENTES Cargas aferentes - Acabados o - Instalaciones MUERTAS - Cerramientos TIEMPO O Uso DURACION Ejecución Ecológicas ó - Sismo VARIABLES Naturales - Viento o - Lluvia VIVAS - Nieve - Granizo - Cambios de temperatura - Accidentales - impacto 26 - Resonantes P(k) CONCENTRADAS o PUNTUALES -------------------- por VOLUMEN-------------- K /m 3 FORMA DE (peso del material) € ACTUAR UNIFORMEMENTE REPARTIDAS por SUPERFICIE----------- K /m 2 (placas-uso-viento) € LINEALMENTE------------ € (vigas- muros-cables) K /m €
  • 31. Esfuerzos de tracción LONGITUDINALES P(k) o AXIALES P(k) P(k) APLICACIÓN Esfuerzos de compresión RESPECTO AL EJE € € € K /m P(k) TRANSVERSALES P(k) Esfuerzos de € flexión y de corte € 5 SISTEMA PORTANTE ARTICULADO DESLIZABLE o Apoyo € de primer grado. Elemento o conjunto de elementos, Restringe un efecto y genera un solo interactuantes capaces de soportar y tipo de reacción restringe el despla- 27 transmitir cargas. zamiento en un solo sentido (figs. 5.1 y 5.2). ACCION Es el efecto que se produce en el ele- mento al aplicarle una carga REACCION Es la respuesta que aparecen en el apoyo cuando se aplica una carga. RH APOYOS Es el elemento o vínculo del sistema RV que sirve para transferir o trasladar las cargas de un elemento a otro. Apoyo articulado deslizable o de Los apoyos se clasifican como: primer grado fig. 5.1
  • 32. ARTICULADO NO DESLIZABLE: o EMPOTRAMIENTO o Apoyo de ter- Apoyo de segundo grado (figs. 5.3 y cer grado (fig. 5.5). 5.4) Restringe tres efectos y genera tres Restringe dos efectos y genera dos tipos de reacciones - no permite des- tipos de reacciones - no permite des- plazamiento vertical, horizontal ni giro. plazamiento ni vertical ni horizontal. RH RH RV ME RV Apoyo articulado no deslizable o de segundo grado fig. 5.2 Empotramiento o apoyo de tercer grado fig.5.3 28 Viga simplemente apoysda fig.5.4
  • 33. Apoyo articu- Apoyo articulado fijo lado fijo Apoyo articulado fig. 5.7 fig 5.5 fijo y deslizable fig. 5.6 29 Apoyo articula- do fijo fig 5.10 Apoyo articulado fijo fig 5.8 Apoyo articulado fijo Apoyo empotrado y empotramiento Apoyo articulado fig 5.12 fig 511 fijo fig. 5.9
  • 34. Las fuerzas pueden ser Fuerzas Ex- Una fuerza externa actúa sobre la ternas o Fuerzas Internas. sección (fig. 5.6), de un elemento por- tante, esta fuerza fluye a traves del Fuerzas externas elemento portante hasta el apoyo y alli Una fuerza aplicada sobre un cuerpo encuentra su reacción. es llamada fuerza externa; las cargas y las fuerzas de reacción constituyen las Las fuerzas Externas y las Internas fuerzas externas. (fig. 5.4). estan en equilibrio solo cuando el ele- mento portante puede soportarlas P P P R R Barra sometida a compresión Fuerzas internas fig. 5.14 Fuerza externas fig. 5.13 30 Fuerzas internas Las fuerzas externas producen fuerzas internas en el elemento portante. h Fuerzas internas son las fuerzas que actúan sobre la sección. La resistencia al cambio de movi- miento o cambio de forma que presen- b ta el cuerpo sobre el cual se aplica la fuerza, se llama FUERZA INTERNA. Area de la sección b x h cm2 Las deformaciones y esfuerzos que se producen en los elementos estruc- turales son debidos a la acción de las fig. 5.15 cargas externas fig. 5.5).
  • 35. MOMENTO ESFUERZO DE TRACCION El efecto producido sobre un cuerpo Es el esfuerzo producido por la acción por una fuerza de magnitud y dirección de dos fuerzas longitudinales diver- dadas, depende de la posición de la gentes, que actúan sobre una misma línea de acción de la fuerza. La distan- línea de acción; producen alargamien- cia desde un punto dado a la línea de to y adelgazamiento figs. 5.7 y 5.8). acción de una fueza se denomina bra- F zo de la fuerza o brazo de momento σ = (kg /cm 2 )
 de la fuerza, A Los dos tipos principales de estruc- M = P x d ( kg-m )(kilográmetro) turas que trabajan a la tracción son los Cables y las membranas. € La forma más sencilla de cable es el tirante vertical sujeto en el extremo superior y con una carga gravitando abajo ESFUERZO o TENSIÓN Es la fuerza que actúa por unidad de 31 superficie. Cuando se estudian las fuerzas que actúan en la sección de un elemento es necesario tener claro el concepto de Esfuerzo o Tensión. Al considerar un trozo elemental de la sección, se supone que la fuerza actúa uniformemente distribuida sobre ella, por lo cual la tensión en esta área será s igual a la fuerza F dividida por 10kg el área. Esfuerzo de tracción fig. 5.16
  • 36. ESFUERZO DE COMPRESIÓN El pandeo es un fenómeno de ines- Es el esfuerzo producido por la ac- tabilidad elástica que puede darse ción de dos fuerzas longitudinales en elementos esbeltos sometidos a convergentes, que actúan sobre la compresión y que se manifiesta por misma línea de acción; producen la aparición de desplazamientos im- acortamiento y ensanchamiento en portantes transversales a la direc- los elementos cortos (fig. 5.9) y si el cieon principal de compresión.Este elemento es largo o esbelto se produ- fenómeno aparece principalmente ce además PANDEO. en pilares y columnas. Fórmula para el esfuer- σ = F (kg /cm 2 )
 - ESBELTEZ. zo de compresión para A La esbeltez es una característica me- un elemento corto. cánica de los elementos estructurales que relaciona la rigidez de la sección transversal de una pieza prismática € con su longitud total (figs. 5.11 y 5.12). Además se distingue entre los valo- res de esbeltez natural, dependientes 32 solo de las propiedades geométricas y mecánicas de la barra y esbeltez efectiva la cual tiene en cuenta tam- bién las condiciones de enlace o suje- ción en los extremos de la barra. Si sobre una barra esbelta recta se aplica un esfuerzo normal de compre- sión, además de acortamiento de la misma aparece una deflexión desde la forma recta, lo cual se conoce como PANDEO. La magnitud de ese efecto depende de la esbeltez mecánica. La esbeltez es la relación que existe Elemento corto sometido a entre la sección de la barra, su longi- compresión fig. 5.17 tud y su sistema de apoyo.
  • 37. Generalmente en muchos edificios 1/2 las columnas de la planta baja poseen 1/4 mayor altura que las de los pisos su- periores por lo cual tienen más posi- bilidades de sufrir pandeo y además teniendo en cuenta que son las más cargadas, su esbeltez las hace mas susceptibles de presentar pandeo. SK = 2h SK = h Las columnas trabajan generalmen- te a la compresión, en el caso de las 1 4 columnas de acero su resistencia a este esfuerzo es elevada, por ello las secciones necesarias son mas peque- ñas que en el caso del concreto. Por lo general las columnas metálicas son muy esbeltas por lo cual su sección SK= 2/3 h SK = h/2 resistente es superior a las requeridas por el esfuerzo axial al cual están so- Casos de Euler fig. 5.18 metidas. 33 SK = longitud de pandeo En edificios de altura, con grandes lu- ces y cargas considerables, el riesgo del pandeo es considerable. F Euler desarrolló la Ley sobre el pandeo σ = •W (kg /cm 2 )
 de soportes verticales y generó una A teoría con su trabajo sobre la carga crítica de las columnas fig. 5.10). - LEY DE HOOKE La fórmula de Euler para las columnas Las deformaciones son proporciona- € largas determina el valor de la carga crí- les a los esfuerzos tica que ocasiona la falla por pandeo,
  • 38. Columnas largas conformadas por dos elemento para evitar el pandeo Columnas largas en madera fig. 5.19 fig. 5.20 34 ESFUERZO DE FLEXIÓN Es el esfuerzo producido por la acción de fuerzas transversales al elemento, que producen deflexión. h La característica de este esfuerzo es la presencia simultánea de los esfuer- zos de tracción y de compresión. La deflexión o flecha es la ordenada de a C eje neutro línea elástica o deformación transver- sal figs. 5.13, 5.14, 5.15, 5.16 y 5.17). M = Momento máximo flector - w = módulo de la sección T Z = 2/3 h Z M b ⊗ h2 σ= (kg /cm 2 ) w= (cm 3 ) w 6 Bloque de esfuerzo de flexión fig 5.21 € €
  • 39. P eje neutro Deflexión debida a la carga transversal esfuerzo de P compresión flecha R R fig 5.22 Se mejora la rigidez del elemento y la deflexión no se presenta Esfuerzo de flexión y deflexión causados por la fuerza transversal 35 eje neutro C esfuerzo de compresión T esfuerzo de tracción Esfuerzo de flexión fig 5.23
  • 40. ESFUERZO DE CORTE: Es el esfuerzo producido por la acción de las cargas al momento de llegar al apoyo. Corte Transversal Puro En la ménsula de apoyo de la viga se produce un esfuerzode corte puro en la sección b x h por efecto de la fuerza transver- sal. (figs. 5.18, 5.19 y 5.20). V max τ= (kg /cm 2 )
 A P € 36 P fig 5.24 P Cubierta en voladizo sostenida con cable de acero fig. 5.26 P fig 5.25
  • 41. DEFORMACION Es la variación (alargamiento, adelgazamiento, acortamiento, pandeo, deflexión, cizallamiento otorsión) que sufre un elemento por la acción de las fuerzas al producirse un esfuerzo en el. La cantidad de la deformación se mide mediante la Flecha. f = flecha (cm) TABLA No. 4 Fuerza Interna Formula Fuerza Externa Esfuerzo Deformación Unidades Longitudinal Tracción F (kg /cm 2 ) Alargamiento A Adelgazamiento Longitudinal F (kg /cm 2 ) Acortamiento F AW 2 Ensanchamiento € Compresión AW (kg /cm ) 
 37 PANDEO Transversal € Flexión M € 2 (kg /cm 2 ) Deflexión w V V (kg /cm 2 ) (kg /cm 2 ) b.h V b.h 2 Transversal Corte (kg /cm ) € b.h € € €
  • 42. 6 REQUISITOS ESTA- cambio ni en su movimiento de trasla- ción ni en el de rotación. Cuando su- TICOS DEL SISTEMA cede esto se dice que el cuerpo está PORTANTE en equilibrio, lo que significa: - EQUILIBRIO – ESTABILIDAD - RI- - Que el cuerpo en conjunto o perma- GIDEZ – RESISTENCIA nece en reposo o se mueve en línea recta a velocidad constante; EQUILIBRIO Garantiza que no se moverán ni el - Que el cuepo no gira o que lo hace conjunto ni sus partes. A toda acción con velocidad constante. se opone una reacción, de igual mag- nitud y de sentido contrario. El equilibrio puede ser: Cuando varias fuerzas actúan simul- Estable táneamente sobre un cuerpo, sus Ante una fuerza el sistema cambia de efectos pueden compensarse entre posición pero al cesar esta vuelve a su si, dando como resultado que no haya posición inicial (fig. 6.1 (a)). 38 INESTABLE (b) ESTABLE (a) INDIFERENTE (c) fig 6.1
  • 43. Inestable La acción de una fuerza hace que cada que relaciona la rigidez de la sección vez se aleje más de su posición inicial transversal de una pieza prismática (fig. 6.1 (b)). con su longitud total. Indiferente Además se distingue entre los valo- Ante la acción de una fuerza cambia res de esbeltez natural, dependientes de posición y al cesar ésta permanece solo de las propiedades geométricas en la nueva (fig. 6.1 (c)). y mecánicas de la barra y esbeltez efectiva la cual tiene en cuenta tam- Ecuaciones de equilibrio: bién las condiciones de enlace o suje- ción en los extremos de la barra. - Todas las fuerzas verticales deben ser ontrarrestadas.................... - Esbeltez flexional.- si sobre una ba- ∑ Fv = 0 rra esbelta recta se aplica un esfuer- zo normal de compresión, además de - Todas las fuerzas horizontales acortamiento de la misma aparece una deben ser contrarrestadas ................. deflexión desde la forma recta, lo cual ∑Fh = 0 se conoce como PANDEO. La magni- tud de ese efecto depende de la es- 39 - Todos los Momentos (giros) beltez mecánica. deben ser contrarrestados ................. ∑M =0 La esbeltez se define por la relación que existe entre la sección de la barra, ESTABILIDAD su longitud y su sistema de apoyo. Garantiza que el sistema nó se moverá con respecto al medio en que se en- Las columnas trabajan generalmen- cuentra. Que no se vuelque, que no se te a la compresión, en el caso de las hunda, que no se desplace. columnas de acero su resistencia a No hay estabilidad si se presentan: este esfuerzo es elevada, por ello las - Asentamientos, secciones necesarias son mas peque- - Deslizamientos, o ñas que en el caso del concreto. Por - Vuelco lo general las columnas metálicas son muy esbeltas por lo cual su sección - ESBELTEZ resistente es superior a las requeridas La esbeltez es una característica me- por el esfuerzo axial al cual están so- cánica de los elementos estructurales metidas.
  • 44. En edificios de altura, con grandes yor sean las dimensiones de la sección luces y cargas considerables, el riesgo transversal, mayores serán las fuerzas del pandeo de las columnas es consi- necesarias para deformarla. derable. - La rigidez de un material se evalúa RIGIDEZ mediante su MODULO DE ELASTICI- Es la propiedad que tiene un material, DAD (E). un elemento o un conjunto de elemen- tos de restringir las deformaciones RESISTENCIA que tienden a producir los estados Es la capacidad que tiene el material tensionales o esfuerzos. del cual está(n) hecho(s) un elemento o un conjunto de elementos, para opo- - La rigidez es inversamente propor- nerse a la separación de sus partículas cional a la deformación. ante la acción de fuerzas internas. Es el comportamiento ante la rotura o sea - La rigidez de un material tiende a la capacidad de soportar y transmitir oponerse a la deformación las cargas sin romperse. - Debe comprobarse la rigidez del La resistencia de un elemento se define 40 material en el Laboratorio mediante como su capacidad para resistir esfuer- pruebas específicas. zos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o - Debe comprobarse la rigidez del deteriorarse de algún modo (fig. 6.2). elemento estudiando su sección, su - La evaluación de la resistencia de un forma, sus dimensiones, el área y la material está en función de la magni- relación de sus dimensiones y sus tud de la fuerza por unidad de área apoyos. (ver cuadro de propiedades (ESFUERZO) que es capaz de sopor- de la Sección) (fig. 6.3).. tar: - Los coeficientes de rigidez son mag- Del material: nitudes físicas que cuantifican la ri- - Esfuerzo de compresión - kg / cm2 gidez de un elemento resistente bajo - Esfuerzo de tracción - kg / cm2 diversos estados de carga. Normal- - Esfuerzo de Flexión - kg / cm2 mente las rigideces se calculan como - Esfuerzo de Corte - kg / cm2 la razón entre una fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido por la apli- cación de esas fuerzas. Cuanto ma-
  • 45. Elemento no rígido pero resistente Elemento rígido no fig 6.2 resistente fig 6.3 Fuerza Esfuerzo = (k /cm 2 ) Área lamente para lograr una solución inte- 41 - Debe comprobarse la resistencia del grada. elemento € - Debe comprobarse la resistencia del ESTÉTICA conjunto. La estética influye directamente sobre la estructura ya que el Arquitecto al impo- OTROS REQUISITOS ner sus postulados estéticos al Ingenie- Los siguientes son otros requisitos ro, fija a menudo limitaciones importan- que deben tenerse en cuenta cuando tes al Sistema Estructural (fig. 6.5). se esté planteando una construcción portante: ECONOMIA Se refiere a la transmisión directa de FUNCIONALIDAD las cargas sin que tengan que hacer La estructura o el sistema portante recorridos innecesarios. Además que debe corresponder al uso o destino. El los materiales que se escojan deben diseño arquitectónico y la propuesta ser los idóneos para la obra que se va estructural deben desarrollarse parale- a adelantar.
  • 46. Estructura en madera - cielo raso en madera fig. 6.5 Cables sometidos a tracción fig. 6.4 42 Edificios en Vancouver Edificios en Nueva York fig. 6.6 fig. 6.7
  • 47. TABLA No. 5 FUERZAS EXTERNAS ESFUERZOS DEFORMACIONES Viva Volúmen L T TRACCION Alargamiento - C O R Adelgazamiento A Muerta Super- N A COMPRE- Corto –Acortamiento ficie SION R G S Largo – (Esbeltez) G I V PANDEO A Viento Puntual T E FLEXION Deflexión SISMO Lineal U R CORTE Cizallamiento Temper. TORSION Torcedura REACCIONES Y APOYOS RESISTENCIA RIGIDEZ EQUILIBRIO MATERIAL E = MATERIAL 43 ∑ Fv = 0 σTracción - Módulo de Elasticidad σCompresión - τCorte ELEMENTO Y I Sección CONJUNTO Momento de inercia ∑ FH = 0 A - AREA sección L- L LONGITUD Longitud del tramo mayor ∑M=0 APOYOS y CARGAS APOYOS SISTEMA PORTANTE
  • 48. 7 BIBLIOGRAFÍA - Allen, E. COMO FUNCIONA UN EDIFICIO, Principios Elementales, E. Gustavo Gilli - CARTILLA DE LA CONSTRUCCION CON MADERA, Junta del Acuerdo de Cartagena, PADT, REPORT, JUNAC - CUADERNOS DE TRABAJO. Departamento Construcción Facultad Artes, Uni- versidad Nacional, - Otto, Frei. CONSTRUCCION DE EDIFICIOS, Labor, Buenos Aires - Blum, G.H . TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION, Blum, Madrid - Mansbridge, John, HISTORIA DE LA ARQUITECTURA, E. Victor Laru, Buenos Aires - Hodgkinson, Ed. Allan. MANUALES A.J., ESTRUCTURAS, H. Blume Edicio- nes, Rosario 17, Madrid - N.S.R. NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE, Ley 400 de 1997, Decreto 33 de 1998, AIS 44 - Sears y Zemansky, FISICA GENERAL, Ed. Aguilar, Madrid - S. Timoshenko y D.H. Young, MECANICA TECNICA, Librería Hachette S.A, Buenos Aires - Waarland, E.G. CONSTRUCCION MODERNA EN BARCELONA. Gustavo Gilli
  • 49. CRÉDITOS FOTOGRÁFICOS FUENTES y DIBUJOS - Constanza Murcia : figs. 4.1, 4.4, 4.6, 4.10, 4.11, 4.12, 4.24, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.11, 5.12, 5.19, 5.26, 6.6 y 6.7 (Dibujos tomados de - Revista Escala, Como Funciona un Edificio y Cuadernos de Trabajo y adaptados o modificadps por la autora) figs. 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14, 3.15, 3.16, 3.17, 3.18, 4.3, 4.5, 4.7, 4.13, 4.14, 4.15, 5.2, 5.3, 5.13, 5.14, 5.15, 5.16, 5.17, 5.18, 5.21, 5.22, 5.23, 5.24, 5.25, 6.1, 6.2 y 6.3 - Natalia Onatra fig. fig. 5.20 - Davies, Richard: foto Arquitectura del Siglo XX: fig. 5.8 45 - Revista TIME internacional No. 44 Octubre 30, 1989.(pags. 8 a 25) figs. 4.14, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19 y 4.20 - Europen Masters Annual of Architecture 1 y 2. Fifs. 2.1, 2.2, 2.3, 3.19, 4.2, 4.5, 4.7, 4.8, 4.9, 5.9, 5.10, 6.4 y 6.5