Estructura edificios altos
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SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA EDIFICIOS
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Estructura edificios altos
- 1. SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA EDIFICIOS ALTOS Presentación tomada de RICARDO HERRERA MARDONES Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile
- 5. ESTRUCTURA Componentes Viga principal Fundación Viga secundaria Columna Dirección principal de la losa
- 10. Sistemas estructurales • Pórticos resistentes a momento • Pórticos arriostrados concéntricamente • Pórticos arriostrados excéntricamente EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 11. Sistemas estructurales • Pórticos resistentes a momento Columnas Vigas EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 12. 3. Sistemas estructurales • Marcos arriostrados concéntricamente rriostramiento EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 13. 3. Sistemas estructurales • Pórticos arriostrados excéntricamente rriostramiento “Link” EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 14. 3. Sistemas estructurales • Pórticos mixtos EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA Núcleo de hormigón Vano arriostrado Marco rígido
- 15. EDIFICIOS ALTOSSistemas estructurales • Sistema de muros • Sistema de núcleo • Sistema de Pórtico mixto • Sistema de tubo
- 16. EDIFICIOS ALTOSSistemas estructurales • Sistema de muros T A R E A
- 17. EDIFICIOS ALTOSSistemas estructurales • Sistema de núcleo T A R E A
- 18. EDIFICIOS ALTOS3. Sistemas estructurales • Sistema de marco mixto T A R E A
- 19. EDIFICIOS ALTOSSistemas estructurales • Sistema de tubo T A R E A
- 20. Consideraciones de diseño ESTRUCTURACION
- 21. Consideraciones de diseño • Transmisión de carga vertical ESTRUCTURACION (a) (b) (c) Viga de transferencia Tirantes Columna
Notas del editor
- Diseño de edificios habitacionales y de oficinas.
- La composición típica de un edificio habitacional o de oficinas incluye los elementos estructurales siguientes: Fundaciones Estructura Losas
- Las fundaciones se realizan con hormigón armado. El tipo de fundación se selecciona conforme a las características y condiciones del terreno. La figura muestra los tipos de fundaciones más habituales: Las “Zapatas”, en las que bajo cada pilar se coloca una base individual de hormigón en masa o armado, es la opción más sencilla, para suelos con resistencia suficiente. Para cargas mayores, o suelos peores, las zapatas deben conectarse para formar una “zapata corrida” o losa. Este sistema también puede proporcionar mejor resistencia al agua. Como alternativa, cuando las condiciones del suelo son deficientes, la capacidad de carga de las zapatas (corridas) puede aumentarse instalando pilotes para crear, respectivamente, encepados o losas apilotadas.
- Las losas deben resistir las cargas verticales que actúan directamente sobre ellas. Normalmente se apoyan en vigas de acero secundarias que a su vez son soportadas por vigas principales. La separación de las vigas de apoyo debe ser compatible con la resistencia de las losa. La losa puede ser de hormigón prefabricado, hormigón in situ o losas mixtas con plancha de acero plegada. Las losas también actúan como diafragmas rígidos que transmiten las cargas horizontales a la estructura.
- La estructura de acero proporciona resistencia a las cargas y soporta los elementos secundarios tales como la losa y tabiquería. Su función es transmitir las cargas externas, tanto verticales como horizontales, a la fundación. Se compone principalmente de elementos verticales (columnas) y elementos horizontales (vigas), que pueden estar conectados de diferentes maneras. Si las vigas está unidas a las columnas a través de conexiones articuladas, el sistema estructural debe incorporar elementos de arriostramiento lateral en los planos rectangulares acotados por columnas y vigas, para proveer la rigidez y resistencia lateral necesarias.
- Las vigas soportan las losas y transmiten sus cargas verticales a las columnas. En una estructura típica de edificio rectangular, las vigas comprenden los elementos horizontales que se extienden entre columnas adyacentes; pueden utilizarse asimismo vigas secundarias para transmitir las cargas de la losa a vigas principales. Las formas de sección más comunes para las vigas son las formas en I laminadas en caliente o en H. En algunos casos pueden utilizarse también perfiles C (simple o doble). Cuando es necesario un mayor canto pueden utilizarse perfiles compuestos. Las vigas armadas pueden tener forma simétrica doble o asimétrica, siendo preferible la primera para perfiles mixtos de acero-hormigón. Combinando planchas y/o perfiles, pueden componerse perfiles en cajón o perfiles abiertos. A veces son necesarias aperturas en las almas de las vigas para permitir el paso de servicios horizontales, como tuberías (para agua o gas), cables (electricidad y teléfono), conductos (climatización), etc. Otra solución a este problema es utilizar vigas alveoladas que se componen soldando dos partes de un perfil en doble T cuya alma ha sido previamente cortada a lo largo de una línea trapezoidal.
- Las columnas transmiten todas las cargas verticales de las losas a las fundaciones. El medio de transmisión de la carga vertical está relacionado con el sistema estructural particular utilizado para la estructura. La ubicación de las columnas en planta se rige por el plano estructural. La separación entre columnas depende de la resistencia de las vigas y la losa. Las formas de las secciones utilizadas normalmente para columnas pueden subdividirse en secciones abiertas y secciones huecas. Las secciones abiertas son básicamente perfiles en I y en H laminados en caliente o soldados. Las secciones en forma de cruz pueden obtenerse soldando perfiles en L, planchas o perfiles en doble T. Las secciones huecas son tubos de sección circular, cuadrada o rectangular. Pueden también formarse soldando planchas o perfiles en doble T. Las secciones huecas circulares y cuadradas presentan la ventaja de que tienen la misma resistencia en las dos direcciones principales, lo que permite obtener secciones de dimensiones mínimas.
- El objetivo principal de un sistema de arriostramiento es proporcionar estabilidad lateral a toda la estructura. Por tanto, debe resistir todas las cargas laterales debidas a las fuerzas externas, por ejemplo viento, deformación impuesta, por ejemplo temperatura, terremotos y los efectos de las imperfecciones sobre el arriostramiento simple. En una estructura arriostrada, el sistema de arriostramiento debe, además, ser suficientemente rígido para que no sea necesario tener en cuenta los efectos de segundo orden al realizar el análisis.
- Existe una amplia gama de sistemas estructurales disponibles para resistir cargas horizontales y verticales. De acuerdo a la altura del edificio, existen sistemas estructurales más adecuados que otros, como lo muestra la figura.
- Podemos agrupar los sistemas estructurales de acero utilizados para edificios de altura baja y media para resistir cargas laterales en tres grupos principales: Marcos rígidos o resistentes a momento Marcos arriostrados con diagonales concéntricas Marcos arriostrados con diagonales excéntricas
- Los marcos resistentes a momento soportan las cargas aplicadas principalmente a través de la flexión de sus elementos. Debido a ello, presentan grandes desplazamientos laterales y su diseño normalmente está controlado por deformación en lugar de resistencia. Vigas y columnas están conectadas a través de uniones que transmiten momento y corte. La principal ventaja de este sistema estructural es el espacio libre ya que no es necesario incluir arriostramientos que bloquean espacios entre columnas. Las principales desventajas de este tipo de sistema son: La complejidad de las conexiones que deben transmitir momento, corte y esfuerzo axial. La interacción entre fuerzas axiales y momentos flectores, crítica para el diseño de las columnas. La significativa deformación lateral de la estructura, ya que depende solamente de la inercia de vigas y columnas.
- Los marcos arriostrados concéntricamente obtienen su rigidez y resistencia lateral principalmente de las diagonales de arriostramiento. Son sistemas más rígidos, pero de ductilidad menor que los marcos a momento, debido a que el pandeo de las diagonales en compresión es inevitable, y este estado límite tiene una ductilidad muy limitada. Vigas y columnas se consideran como elementos sometidos a esfuerzo axial principalmente. Las principales ventajas de este sistema estructural son: Los detalles de conexión son muy simples, ya que actúan como rótulas. La deformación transversal de la estructura está limitada por el sistema de arriostramiento. La interacción entre fuerzas axiales y momentos flectores en la columna es prácticamente inexistente. Las mayores desventajas de este sistema tienen que ver con la susceptibilidad al pandeo de las diagonales de arriostramiento y complicaciones en las fundaciones de los arriostramientos que deben resistir las fuerzas totales horizontales con una cantidad muy pequeña de compresión axial. Se producen altos valores de excentricidad que requieren grandes dimensiones en el área de contacto debajo de las fundaciones.
- Los marcos arriostrados excéntricamente obtienen su rigidez y resistencia a cargas laterales de sus arriostramientos y del “link” que se forma al separarlos. Los arriostramientos están sometidos a esfuerzo axial, mientras que el link se deforma principalmente en corte. Se ha observado que la falla en corte puede proveer una alta ductilidad si los elementos sometidos a corte están apropiadamente diseñados y delimitados.
- Una solución más óptima se obtiene mediante el uso de dos sistemas estructurales diferentes en el mismo edificio, es decir: Marcos semirrígidos o articulados, que resisten solamente las acciones verticales. Arriostramientos de acero o paredes y núcleos de hormigón, que resisten las acciones horizontales. Ambos sistemas se conectan mediante las losas que proporcionan un diafragma rígido en cada piso. La principal ventaja de esta solución es que permite unificar las formas de todas las vigas independientemente del nivel del piso.
- Para los edificios de gran altura (hasta 120 pisos) se utilizan diferentes sistemas estructurales según la altura: • hasta 30 plantas, sistemas de muros o núcleo de hormigón. • de 30 a 60 plantas, sistemas de marco mixto. • más de 60 plantas, sistemas de tubo.
- El sistema de muros portantes está formado por elementos verticales planos que conforman todos o parte de los muros exteriores e interiores. Resisten las cargas verticales y horizontales y son, principalmente, realizados en hormigón.
- El sistema de núcleo está formado por muros de carga, generalmente situados muy próximos unos de otros, donde se suelen agrupar los sistemas de transporte vertical (escalas y ascensores). Esta disposición permite flexibilidad en el uso del espacio del edificio fuera del núcleo. El núcleo puede resistir cargas verticales y horizontales. En la figura se muestran algunos ejemplos de este sistema donde hay un núcleo central desde el cual se suspenden o prolongan en voladizo las losas. Es posible también tener más de un núcleo en la estructura, conectados a través del diafragma rígido. Una aplicación relativamente común consiste en la combinación de un núcleo para resistir las cargas laterales y un marco de acero alrededor para resistir las cargas verticales, donde las vigas están conectadas a las columnas con uniones rotuladas y no hay diagonales de arriostramiento.
- El sistema de marcos está compuesto de columnas, vigas y losas dispuestas para resistir las cargas verticales y horizontales. El marco mixto consiste en la combinación del sistema de marcos rígidos con muros y núcleos de hormigón o con arriostramientos de acero.
- El sistema de tubo se caracteriza por elementos estructurales exteriores poco separados, proyectados para resistir fuerzas laterales en conjunto, más que como elementos separados. Esquemas alternativos pueden incluir tubos arriostrados y tubos porticados. Aparte del tubo simple, pueden utilizarse también soluciones de “tubo en tubo”. Estos sistemas permiten una mayor flexibilidad en el uso del espacio interior debido a la ausencia de pilares interiores. Otro tipo de solución es utilizar un grupo de tubos.
- La disposición estructural o estructuración de los edificios habitacionales o de oficinas normalmente se inspira en la forma de la planta del edificio, dando como resultado soluciones diferentes. Se muestran algunas plantas tipo utilizadas en este tipo de edificación.
- La transmisión de las cargas verticales puede producirse directamente desde las vigas a las columnas (figura a) o indirectamente. En la transmisión indirecta se utilizan vigas de “transferencia” principales (figura b), que resisten todas las cargas transmitidas por las columnas superiores. En los sistemas suspendidos (figura c), la transmisión de las cargas verticales se realiza mediante barras de tracción (tirantes) colgadas de las vigas superiores que soportan la carga vertical total de todos los pisos. Un número limitado de grandes columnas transmiten la carga total a las fundaciones.