Diseño estructural en la ingenieria
Diseño estructural
INTRODUCCIÓN
1. ALGUNAS DEFINICIONES
- INGENIERÍA
“Es el arte de
planificar el aprovechamiento de los recursos naturales, así como de proyectar,
construir y operar los sistemas y las maquinas necesarias para llevar el plan a
su termino.”
“Arte que trata
sobre la aplicación de los materiales y de las fuerzas de los materiales.
Instinto creador, flexible, independiente, logran objetivos, aprovecha
cualquier hecho o teoría de la ciencia con tal de que contribuya a su arte.”
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- ESTRUCTURA
“Entidad física de
carácter unitario, concebida como una organización de cuerpos dispuestos en el
espacio de modo que el concepto del todo domina la relación entre las partes”.
Según esta definición
vemos que una estructura en un ensamblaje de elementos que mantiene su forma y
su unidad.
Sus objetivos son:
resistir cargas resultantes de su uso y de su peso propio y darle forma a un
cuerpo, obra civil o maquina.
Ejemplos de
estructuras son: puentes, torres, edificios, estadios, techos, barcos, aviones,
maquinarias, presas y hasta el cuerpo humano
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¿Qué es un sistema
estructural?
Es un ensamblaje de
miembros o elementos independientes para conformar un cuerpo único y cuyo
objetivo es darle solución (cargas y forma) a un problema civil
determinado.
La manera de
ensamblaje y el tipo de miembro ensamblado definen el comportamiento final de
la estructura y constituyen diferentes sistemas estructurales.
En algunos casos los
elementos no se distinguen como individuales sino que la estructura constituye
en si un sistema continuo como es el caso de domos, losas continuas o macizas y
muros, y se analizan siguiendo los conceptos y principios básicos de la
mecánica.
El sistema
estructural constituye el soporte básico, el armazón o esqueleto de la
estructura total y él transmite las fuerzas actuantes a sus apoyos de tal
manera que se garantice seguridad, funcionalidad y economía.
En una estructura se
combinan y se juega con tres aspectos:
ü FORMA
ü MATERIALES Y
DIMENSIONES DE ELEMENTOS
ü CARGAS
los cuales determinan
la funcionalidad, economía y estética de la solución propuesta.
- INGENIERÍA
ESTRUCTURAL
“Es el arte de
idealizar materiales a los cuales no se les conoce bien sus
propiedades, para construir formas que no sabemos analizar, de
tal manera que soporten cargas que ignoramos y sin embargo se
comporten satisfactoriamente (todo esto sin que la gente se de cuenta)” (autor
desconocido).
La misma cita es
mencionada por Edgard L. Wilson (podructor del progama SAP2000) en su libro
Three dimensinal static an dynamic analysis of structures:
“STRUCTURAL
ENGINEERING IS
THE ART OF USING MATERIALS
That have properties which can only be estimated
TO BUILD REAL STRUCTURES
That can only be approximately analyzed
TO WITHSTAND FORCES
That are not accurately known
SO THAT OUR RESPONSIBILITY WITH RESPECT TO PUBLIC
SAFETY IS SATISFIED”
Ingeniería
estructural es la aplicación de los conocimientos de la Mecánica, ciencia
que estudia las fuerzas y sus efectos, al arte de diseñar estructuras.
En el análisis
estructural conjugamos conocimientos de ciencias básicas aplicadas al arte de
la ingeniería para encontrar fuerzas y deformaciones en una estructura.
El ingeniero estructural se encarga del arreglo y
dimensionamiento de las estructuras y sus partes, de tal manera que
soporten satisfactoriamente las cargas colocadas sobre ellas. Pueden servir de
ayuda a otros ingenieros en proyectos especiales.
El ingeniero por
medio de los conocimientos, físicos y matemáticos, crea modelos, a los que
aplica ecuaciones y puede por lo tanto planear, conocer y rectificar una
estructura antes de ser construida.
Aunque la ingeniería estructural no es una ciencia, ella posee un método
propio. Este método nos permite analizar y diseñar estructuras de una manera
estándar en cualquier parte del mundo. Solo unos pocos mas adelantados estarían
innovando y creando nuevos métodos mas simplificados.
· Objetivo General
Identificar, estudiar
alternativas, seleccionar, analizar y verificar resultados de la solución
estructural a un problema ingenieril, teniendo presentes los criterios de funcionalidad,
economía y seguridad.
En el diseño
estructural completo se distinguen dos etapas: análisis y diseño.
· Objetivo del Análisis
Determinar fuerzas
internas (axiales, cortantes, momentos) y deformaciones de una estructura,
sobre la base de: una forma dada de la estructura, del tamaño y propiedades del
material usado en los elementos y de las cargas aplicadas.
· Objetivo del Diseño
Selección de la
forma, de los materiales y detallado (dimensiones, conexiones y refuerzo) de
los componentes que conforman el sistema estructural.
Ambas etapas son
inseparables, parecería que se empieza por el diseño, ya que es en esta etapa
donde se crea y luego se analiza, pero las cosas no terminan ahí, se requiere
verificar que las fuerzas encontradas en el análisis, si son soportadas y
resistidas con los materiales y dimensiones seleccionadas, por lo tanto
volveríamos al diseño, es decir, el proceso es iterativo.
3. ETAPAS DE DESARROLLO DE UN PROYECTO
· Planeación: Se
identifica el problema a solucionar y se presentan alternativas generales de
solución
· Diseño preliminar:
General
· Evaluación de
alternativas: Diferentes sistemas estructurales, diferentes geometrías y
diferentes materiales.
· Análisis: fuerzas y
deformaciones
§ evaluación de cargas
o fuerzas actuantes
§ modelación, real y
abstracta
§ resolución del
modelo: fuerzas internas, de conexiones o uniones.
§ Diseño: detallado y
dimensionamiento de los elementos para que resistan las
fuerzas actuantes.
§ Construcción: Llevar a cabo la
materialización física de lo planeado
El ingeniero Estructural participa en todas las etapas pero es
responsable directo de la evaluación de alternativas, el análisis y el diseño.
(Ver numeral A.1.3 de las Normas Colombianas de diseño y construcción
sismorresistente)
4. PRINCIPIOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
SEGURIDAD, FUNCIONALIDAD Y ECONOMÍA
Una estructura se diseña para que no falle durante su vida útil. Se
reconoce que una estructura falla cuando deja de cumplir su función de manera
adecuada.
Las formas de falla pueden ser: falla de servicio o falla por rotura o
inestabilidad.
La falla de servicio es cuando la estructura sale de uso por
deformaciones excesivas ya sean elásticas o permanentes.
La falla por rotura (resistencia) o inestabilidad se da cuando hay
movimiento o separación entre las partes de la estructura, ya sea por mal
ensamblaje, malos apoyos o rompimiento del material.
SEGURIDAD: La seguridad se determina controlando las deformaciones
excesivas que obligan a que salga de servicio o el rompimiento o separación de
alguna de sus partes o de todo el conjunto.
Una de las condiciones de seguridad, la estabilidad, se puede comprobar
por medio de las leyes de equilibrio de Newton. En el caso
particular de fuerzas estáticas la ecuaciones generales del equilibrio
son: , las cuales deben ser
satisfechas por la estructura en general y por cada una de sus partes
El principio de acción y reacción es uno de los conceptos básicos de uso
general en las estructuras, encontrar fuerzas actuantes y fuerzas resistentes
hace parte del diario de la ingeniería estructural. Este principio dice: “para
toda fuerza actuante debe haber algo que produzca una reacción que contrarreste
el efecto o en otras palabras para una fuerza actuante existe una reacción de
igual magnitud, dirección pero sentido contrario”.
La condición de seguridad de resistencia a la rotura de los elementos
que la componen y de las uniones entre estos, depende de las propiedades
mecánicas de los materiales utilizados.
FUNCIONALIDAD: La estructura debe mantenerse en funcionamiento durante
su vida útil para las cargas de solicitación. Un puente que presenta deformaciones
excesivas daría la sensación de inseguridad y la gente dejaría de usarlo, en
ese momento deja de ser funcional.
ECONOMÍA: El aprovechamiento de los recursos determina un reto para el
diseño estructural. En la economía se conjuga la creatividad del
ingeniero con su conocimiento.
5. TIPOS DE ESTRUCTURAS
Se reconocen dos tipos de estructuras: reticulares (frame) y estructuras
tipo placa o cascaron (Shell).
Estructuras reticulares: Se componen por barras rectas o curvas unidos
en sus extremos por pasadores o soldadura.
Placa o cascarón: Se construye de losas continuas curvas o planas con
apoyos por lo general en forma continua en sus bordes.
Análisis de un edificio en estructura reticular de
pórticos utilizando un programa comercial de análisis. Estructura deformada.
Análisis de una estructura con elementos placa o cascarón. En este caso
están constituidos por los muros de la vivienda y se realiza por medio de
elementos finitos.
6. ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS
COMUNES
6.1 Elemento tipo Cable: No posee rigidez para soportar
esfuerzos de flexión, compresión o cortantes. Al someter a cargas a
un cable este cambia su geometría de tal manera que las cargas son soportadas
por esfuerzos de tracción a lo largo del elemento. Siempre
encontraremos que cuando aplicamos una fuerza el cable tendrá otra geometría.
Un cable bajo su
propio peso adquiere la forma del diagrama de momentos de tal manera que al
encontrar las fuerzas internas en cualquiera de sus puntos el valor del momento
sea cero y solo presente componente de tracción.
Un cable bajo carga
puntual se deforma de tal manera que el momento interno en todo el tramo sea
igual a cero. Los cables no tienen rigidez a flexión.
Es un elemento con
poca I (inercia) y poca A transversal (área)
pero con una gran resistencia a la tracción.
6.2 Elemento tipo Columna: Es un elemento con dos dimensiones
pequeñas comparadas con la tercera dimensión. Las cargas principales actúan
paralelas al eje del elemento y por lo tanto trabaja principalmente a
compresión. También puede verse sometido a esfuerzos combinados de
compresión y flexión.
6.3 Elemento tipo viga: Es un elemento que tiene dos de sus
dimensiones mucho menores que la otra y recibe cargas en el sentido
perpendicular a la dimensión mayor. Estas características geométricas y de
carga hacen que el elemento principalmente esté sometido a esfuerzos internos
de flexión y de cortante. Es un elemento que debe tener la suficiente I (inercia
transversal) y A (área transversal) para soportar estos tipos
de esfuerzos. Recordemos que los esfuerzos de flexión dependen directamente de
la inercia de la sección () y los de cortante
indirectamente del área ( donde Q , es
el primer momento del área).
6.4 Elementos tipo
Cercha: Es un elemento cuya área transversal es pequeña comparada con su
longitud y está sometido a cargas netamente axiales aplicadas en sus
extremos. Por su geometría y tipo de cargas actuantes soporta
solamente fuerzas de tracción y de compresión.
Su comportamiento
netamente axial exige que sus conexiones a otros elementos o soportes sean
rotulas sin rozamiento. Sin embargo en la practica se construyen
uniones rígidas que obligan a mantener la geometría de la sección y
la posición de los nudos. Esto hace que las pequeñas deformaciones de
alargamiento o acortamiento de los elementos por sus tensiones axiales, no se
disipen en deformaciones de los nudos y producen entonces esfuerzos de flexión
en los elementos.
Estos esfuerzos de
flexión son muy pequeños comparados con sus grandes fuerzas axiales
y no se tienen en cuenta en su análisis y diseño.
6.5 Elementos tipo cascaron: Pueden ser flexibles, en este caso se
denominan membranas, o rígidos y se denominan placas.
Membrana: no soporta
esfuerzos de flexión, es como si fueran cables pegados. Trabaja por tracción
netamente
Cascaron o placa:
tiene rigidez a flexión es decir trabaja principalmente por
compresión, pero se asocia con esfuerzos
cortantes y flectores mínimos.
6.6 Elementos tipo
muro: Estos elementos se caracterizan por tener dos de
sus dimensiones mucho mas grandes que la tercera dimensión y porque las cargas
actuantes son paralelas a las dimensiones grandes. Debido a estas
condiciones de geometría y carga, el elemento trabaja principalmente a cortante
por fuerzas en su propio plano. Adicionalmente a esta gran rigidez a
corte los muros también son aptos para soportar cargas axiales siempre y cuando
no se pandeen.
7. PRINCIPALES SISTEMAS ESTRUCTURALES
Cerchas
Armaduras planas y espaciales
Marcos o pórticos planos y espaciales
Sistemas combinados o duales
Sistemas de muros
Sistemas de piso
Sistemas continuos
CERCHAS: Este sistema combina elementos tipo cercha donde la disposición
de los elementos determina la estabilidad. Pueden ser planas y
espaciales
ARMADURAS: En este sistema se combinan elementos tipo cercha con
elementos tipo viga o columna unidos por articulaciones.
MARCOS O PÓRTICOS: Este sistema conjuga elementos tipo viga y
columna. Su estabilidad está determinada por la capacidad de
soportar momentos en sus uniones. Pueden ser planos y espaciales
SISTEMAS DE PISOS: Consiste en una estructura plana conformada por la
unión varios elementos (cáscara, viga, cercha) de tal manera que soporte cargas
perpendiculares a su plano. Se clasifican por la forma en que transmiten la
carga a los apoyos en bidireccionales y unidireccionales.
SISTEMAS DE MUROS: Es un sistema construido por la unión de muros en
direcciones perpendiculares y presenta gran rigidez lateral. Este
sistema es uno de los mas usados en edificaciones en zonas sísmicas.
DOMOS, CILOS Y TANQUES
SISTEMAS COMBINADOS PARA EDIFICACIONES: Se aprovechan las
cualidades estructurales de los elementos tipo muro con las cualidades
arquitectónicas de los sistemas de pórticos. Las características de
rigidez lateral también se pueden lograr por medio de riostras que trabajan como
elementos tipo cercha.( ver figura).
SISTEMAS MASIVOS: Presas o elementos en 3 dimensiones
8. MATERIALES
El tipo de material usado en la estructura define la resistencia, la
flexibilidad, la durabilidad y muchas otras características de la
estructura. Entre los materiales mas comunes están el hormigón, acero, madera,
piedra, unidades de arcilla cocida, plástico, etc. Como se mencionaba al
principio en la definición de ingeniería estructural, el avance en el
conocimiento de las propiedades de los materiales nos permite que nuestro
análisis se acerque mas a la realidad.
Es parte de nuestra labor seleccionar adecuadamente los materiales para
lograr que nuestra estructura sea segura, económica y
factible. Tengamos en cuenta que el seleccionar presupone un buen
conocimiento de las propiedades mecánicas del material elegido.
9. PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN
La respuesta de una estructura debida a un numero de cargas aplicadas
simultáneamente es la suma de las respuestas de las cargas individuales,
aplicando por separado cada una de ellas a la estructura; siempre y cuando para
todas las cargas aplicadas y para la suma total de ellas los desplazamientos y
esfuerzos sean proporcionales a ellas.
Esto implica que para aplicar el principio de superposición necesitamos
trabajar con materiales elásticos, que cumplan la ley de Hooke. Si la
estructura a analizar cumple con estos requisitos podemos usar la teoría
elástica en su estudio.
¿Qué otras teorías existen para analizar estructuras que no cumplan con
una relación lineal de esfuerzos desplazamientos?
Gráfica fuerza vs deformación para un elemento
constituido con un material perfectamente elástico
Cuando se habla de respuesta se refiere a los desplazamientos y a las
fuerzas internas.
Por el principio de superposición podemos expresar los efectos totales
como la suma de efectos de cargas parciales:
10. MODELADO DE LA ESTRUCTURA
El modelado es la abstracción de lo real al papel de tal manera que me
permita analizarlo y diseñarlo.
En el modelado se debe tener bastante cuidado para que la representación
del sistema sea lo mas parecido a la realidad; la ubicación y determinación de
los apoyos, la selección del tipo de elemento, la combinación de estos y sus
uniones juegan un papel primordial en esta etapa.
En este curso trabajaremos principalmente con estructuras
reticulares, aquellas cuyos elementos tienen una de sus dimensiones
mucho mas grande que las otras dos. El modelado de este tipo de
estructuras se hace por medio de líneas que representan el eje centroidal de la
sección de los elementos.
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10.1 TIPOS DE APOYOS Y CONEXIONES
Parte del modelado van en la representación de los soportes o apoyos,
estos nos proporcionan estabilidad impidiendo el movimiento.
Los tipos de apoyo se clasifican por la cantidad de grados de libertad
que restrinjan. Van desde los más simples que restringen un solo
grado de libertad hasta los más complejos que restrinjan seis grados de
libertad en el espacio.
Los más simples son rodillos, superficies lisas, uniones con cables,
apoyos basculantes, etc.
Al segundo tipo, aquellos que restringen dos grados de libertad,
pertenecen las articulaciones, las superficies rugosas, las rotulas, etc.
Al tercer tipo y último en estructuras planas pertenecen los
empotramientos.
APOYOS ELÁSTICOS
Se considera como un resorte donde la fuerza de reacción es proporcional
a la deformación lineal o angular del apoyo. Entre estos tipos podemos
considerar las zapatas sobre un lecho elástico constituido por el suelo de
fundación.
FOTOS SOBRE TIPOS DE APOYOS O CONEXIONES ENTRE ELEMENTOS
CONEXIÓN ARTICULADA
ARTICULACIÓN PLANA. PERMITE ROTACIÓN EN UN SOLO SENTIDO.
ARTICULACIÓN EN EL ESPACIO. PERMITE ROTACIÓN COMPLETA.
Preguntas :
Preguntas :
- ¿ Crees que los ingenieros muestran dedicación para esto ?
- ¿Como tu diseñarías tus estructuras?
- Dar un concepto especifico de Diseño estructural
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