20 edificios urbanos
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diseño de edificios y habitacionales y de oficina
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20 edificios urbanos
- 1. Diseño de edificios habitacionales y de oficinas Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera
- 2. CONTENIDODiseño de edificios habitacionales y de oficinas 1. Introducción 2. Componentes 3. Sistemas estructurales 4. Consideraciones de diseño
- 3. CARACTERISTICAS 1.Introducción • Estructura repetitiva en altura • Relaciones alto/base moderadas a altas • Maximización del espacio útil • Minimización del costo de construcción
- 4. SOLICITACIONES 1.Introducción • Peso propio • Sobrecargas permanentes • Sobrecargas de uso • Viento • Sismo
- 8. ESTRUCTURA 2. Componentes Viga principal Fundación Viga secundaria Columna Dirección principal de la losa
- 12. 3. Sistemas estructurales INTRODUCCION Pisos
- 13. 3. Sistemas estructurales • Marcos resistentes a momento • Marcos arriostrados concéntricamente • Marcos arriostrados excéntricamente EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 14. 3. Sistemas estructurales • Marcos resistentes a momento Columnas Vigas EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 15. 3. Sistemas estructurales • Marcos arriostrados concéntricamente rriostramiento EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 16. 3. Sistemas estructurales • Marcos arriostrados excéntricamente rriostramiento “Link” EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA
- 17. 3. Sistemas estructurales • Marcos mixtos EDIFICIOS DE ALTURA BAJA Y MEDIA Núcleo de hormigón Vano arriostrado Marco rígido
- 18. EDIFICIOS ALTOS 3. Sistemas estructurales • Sistema de muros • Sistema de núcleo • Sistema de marco mixto • Sistema de tubo
- 19. EDIFICIOS ALTOS 3. Sistemas estructurales • Sistema de muros
- 20. EDIFICIOS ALTOS 3. Sistemas estructurales • Sistema de núcleo
- 21. EDIFICIOS ALTOS 3. Sistemas estructurales • Sistema de marco mixto
- 22. EDIFICIOS ALTOS 3. Sistemas estructurales • Sistema de tubo
- 23. 4. Consideraciones de diseño • Estructuración. • Definición de solicitaciones a considerar. • Modelamiento • Selección preliminar de elementos. • Análisis. • Evaluación. ETAPAS
- 24. 4. Consideraciones de diseño ESTRUCTURACION
- 25. 4. Consideraciones de diseño • Transmisión de carga vertical ESTRUCTURACION (a) (b) (c) Viga de transferencia Tirantes Columna
- 26. 4. Consideraciones de diseño • Transmisión de carga horizontal ESTRUCTURACION Pisos
- 27. 4. Consideraciones de diseño • Cargas muertas. • Cargas vivas estáticas. • Cargas vivas móviles. • Impacto. • Nieve. • Viento. • Sismos. • Otros. SOLICITACIONES
- 28. 4. Consideraciones de diseño • Experiencia previa • Métodos aproximados de solución – Método del portal (edificios bajos) – Método del voladizo (edificios altos) • Mecanismo de falla DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR P
- 29. 4. Consideraciones de diseño • Análisis lineal elástico • Análisis no lineal – Efectos de 2º orden – No linealidad del material • Análisis plástico ANALISIS
- 30. 4. Consideraciones de diseño • Comportamiento global: – Códigos de construcción local • Limitación de deformaciones a nivel de servicio y último • Limitación de esfuerzos en elementos • Comportamiento local – Especificaciones de diseño de elementos (AISC, AISI, etc.) • Resistencia EVALUACION
- 31. 4. Consideraciones de diseño • Recomendaciones (Guía de diseño 5 AISC) – Espaciar las vigas al máximo practicable – Minimizar las conexiones de momento y de diagonales de arriostramiento ECONOMIA Vanos marco rígido o arriostrado
- 32. 4. Consideraciones de diseño • Recomendaciones (Guía de diseño 5 AISC) – Privilegiar el uso de acero de mayor resistencia – Usar pocos tamaños – Utilizar las reducciones de la carga viva ECONOMIA
Notas del editor
- Diseño de edificios habitacionales y de oficinas.
- Este capítulo presenta los aspectos principales relacionados con el diseño de edificios destinados a uso habitacional o de oficinas. El capítulo parte con una descripción de las características principales de este tipo de edificios y de las solicitaciones que normalmente deben considerarse. Luego se describen las componentes principales de estos edificios. A continuación se presentan los diferentes sistemas estructurales que se utilizan para proveer la necesaria resistencia y rigidez ante las solicitaciones. Finalmente se entregan algunas consideraciones de diseño de este tipo de edificios.
- Los edificios habitacionales o de oficinas presentan ciertas características comunes, entre las que podemos mencionar: Se trata de estructuras que se repiten en altura, organizadas en niveles llamados pisos. El proceso constructivo sigue la misma secuencia para cada piso. Normalmente se ubican en terrenos urbanos de tamaño limitado a los que el mandante (inmobiliaria) trata de sacar el mayor provecho. Por eso resultan edificios cuya altura supera sus dimensiones en planta. La inmobiliaria privilegia la disponibilidad de espacio libre, por lo que la estructura se trata de mantener al mínimo posible. Los plazos de construcción no son tan apremiantes como en el caso de edificios industriales y se privilegia la disminución de los costos de construcción, tratando de optimizar el uso de los materiales.
- Un edificio habitacional o de oficinas debe resistir los efectos combinados de las cargas horizontales y verticales. Por estar ubicados normalmente en zonas urbanas, estos edificios están sometidos principalmente a peso propio y sobrecargas permanentes y de uso como cargas verticales. Dependiendo de la zona geográfica en que esté ubicado y de las dimensiones del edificio, las cargas de viento y sismos pueden ser las que controlen el diseño contra solicitaciones horizontales.
- 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.
- Podemos dividir el proceso de diseño para edificios habitacionales y de oficina en las siguientes etapas: Estructuración: definición de los sistemas estructurales y ubicación de los elementos estructurales para resistir las solicitaciones horizontales y verticales Definición de solicitaciones: Basada en la ubicación geográfica, condiciones de terreno y clima, y uso de la estructura. Modelamiento: expresión de la estructuración en un modelo adecuado para el análisis. Selección preliminar de elementos: dimensionamiento preliminar necesario para el paso siguiente Análisis: análisis de la estructura para determinar esfuerzos en los elementos y deformaciones. Evaluación: comparación de la respuesta de la estructura, según los resultados del análisis, con las limitaciones de diseño. Normalmente será necesario repetir los dos últimos pasos, ajustando las dimensiones de los elementos estructurales para cumplir con las restricciones de diseño.
- 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.
- La elección del sistema de transmisión de las cargas laterales a la fundación estará principalmente regida por la altura del edificio.
- La elección de las solicitaciones debe hacerse considerando la ubicación, condiciones del suelo, clima y usos del edificio. La determinación de las cargas o los efectos sobre el edificio debido a las solicitaciones consideradas se rige por los códigos locales de construcción de cada país.
- Los edificios habitacionales y de oficinas son estructuras hiperestáticas. Por lo tanto, para poder encontrar los esfuerzos y deformaciones de la estructura es necesario tener propiedades de los elementos estructurales de antemano. Para el dimensionamiento preliminar de los elementos estructurales existen varias posibilidades: La primera es considerar la experiencia previa en este tipo de edificios, lo que puede entregar un orden de magnitud de las dimensiones usuales de vigas, columnas, arriostramientos, etc. para edificios similares. La segunda posibilidad es utilizar alguno de los métodos aproximados para resolver estructuras tipo marco de varios niveles. En estos métodos lo que se hace es estimar la ubicación de los puntos de inflexión de los elementos estructurales y hacer algunas suposiciones sobre la distribución del corte o el esfuerzo axial en las columnas. Los más utilizados son el método del portal y el método del voladizo. El primero, como su nombre lo indica, es más adecuado para edificios de poca altura con relaciones alto/base moderadas a bajas. El segundo es aplicable a edificios esbeltos de mayor altura. Los detalles de estos métodos son parte del contenido de cursos de análisis estructural y pueden encontrarse en gran parte de los libros dedicados a este tema. Otra opción es hacer un análisis del mecanismo de colapso de la estructura, suponiendo alguna relación entre los módulos plásticos de vigas y columnas. Este es un método un poco más complejo que, sin embargo, entrega una visión sobre la capacidad y la forma de falla de la estructura. Por lo mismo, también se utiliza para evaluar el diseño.
- Existen asimismo varios tipos de análisis que se pueden llevar a cabo y que tienen diferente grado de complejidad. El más sencillo y más usado es el análisis lineal elástico en que todos los elementos se comportan en forma elástica y se considera el equilibrio de la estructura en la posición no deformada. Es el tipo de análisis que cualquier programa de análisis estructural nos permite llevar a cabo. Luego podemos realizar un análisis considerando los efectos no lineales, los que pueden estar asociados a efectos de 2º orden (P-Delta) o al comportamiento no lineal del material. La mayoría de los programas de análisis estructural nos permiten considerar, al menos en forma aproximada, los efectos de 2º orden. Por último, podemos realizar un análisis plástico de la estructura, el cual nos entregará la capacidad y la demanda de deformaciones inelásticas en los elementos. El obtener deformaciones totales en este caso es complicado.
- Para evaluar el diseño resultante, se utilizan los resultados del análisis. Estos resultados se comparan con valores admisibles, tanto a nivel local como a nivel global. En el caso del comportamiento global, los códigos de construcción de cada país establecen límites a las deformaciones en la estructura para el nivel de servicio y el nivel de diseño. En algunos casos, se establecen límites en los esfuerzos en los elementos para prevenir comportamientos no deseados. A nivel local, las especificaciones de diseño de elementos establecen la resistencia provista por estos, la que se compara con la demanda obtenida de los resultados del análisis. El cumplimiento de los requisitos de diseño determinará si es necesario modificar el diseño.
- Se presentan a continuación algunas recomendaciones de estructuración que redundan en economías de costo para edificios habitacionales y de oficinas. Las vigas deben espaciarse lo más que sea prácticamente posible, de modo de disminuir la cantidad de vigas en el edificio. El costo de una viga depende del costo del material, el costo de fabricación y el costo de erección. Estos dos últimos costos son relativamente independientes del tamaño de la viga, por lo que la gran diferencia estará en la cantidad de material requerido. La fabricación de conexiones de momento y conexiones entre diagonales de arriostramiento y la estructura es significativamente más cara que la de conexiones de corte. Por lo tanto, es recomendable limitar en pocos vanos dentro de la estructura este tipo de conexiones.
- Se debe privilegiar el uso de materiales de más alta resistencia, debido a que su relación costo/resistencia es mejor que para materiales de resistencia menor. Debe tenerse cuidado, eso sí, con aquellos casos en que el uso de aceros de más alta resistencia no significan una mejora (por ejemplo, si el diseño está controlado por deformación) o puede incluso ser perjudicial (por ejemplo, secciones que dejan de ser compactas al usar aceros de mayor resistencia). Usar pocos tamaños de viga y columna significa una disminución en los diferentes tipos de detalle, lo que disminuye costos de fabricación y erección. Utilizar las reducciones de la carga viva permitidas por las distintas especificaciones puede significar un pequeño ahorro por viga. Sin embargo, cuando se considera que las vigas son los elementos más numerosos en la estructura, la suma total de esos pequeños ahorros puede ser significativa.