Coeficientes de seguridad en estructuras

Coeficientes de seguridad

• Las estructuras se calculan aplicando principios de simultaneidad de acciones y coeficientes correctores, denominados coeficientes de seguridad
• Los coeficientes de seguridad se justifican por varios motivos, como la previsión de desgaste o corrosión
• Inciden posibles desviaciones en las propiedades de los materiales, errores en la ejecución, y tolerancias en la fabricación
• Se ven afectadas las tolerancias por incertidumbre en las solicitaciones e incertidumbre del propio método de cálculo
• El coeficiente de seguridad se obtiene dividiendo la tensión de rotura por la tensión de trabajo
• Coeficiente de seguridad = Tensión de rotura / Tensión de trabajo
• En el cálculo de estructuras, se aplican distintos coeficientes de seguridad, dependiendo de diversos factores

Estructura de los edificios

• La estructura de un edificio soporta las cargas y acciones que le afectan
• Los elementos estructurales o portantes soportan y transmiten todas las cargas hasta el terreno
• Estructura isostática: si falla un elemento, el esfuerzo no se absorbe y la estructura colapsa
• Estructura hiperestática: formada por más elementos estructurales de los necesarios
• Dentro una estructura hiperestática, el fallo de un elemento puede ser absorbido por otros elementos
• La estructura de los edificios consta de:
• Cimentación: transmite las cargas al terreno
• Estructura vertical: transmite las cargas a la cimentación, como muros o pilares
• Forjados y estructura horizontal: soportan cargas directas y las transmiten a los elementos verticales

Cimentación

• La cimentación transmite las cargas del edificio al terreno
• Los cimientos oponen superficies de contacto a las cargas
• Los cimientos serán mayores cuanto menos consistente sea el terreno, y mayores sean las cargas
• Los cimientos deben tener una profundidad mínima para no verse afectados por heladas y deben ser resistentes a la humedad
• El tipo de cimentación se decide al conocer la estructura del edificio, las cargas y las características del terreno
• Los tipos de cimentación se clasifican según la profundidad:
• Superficiales
• Profundas

Cimentaciones superficiales

• Se realizan a poca profundidad, de 1 a 3 metros
• Incluyen zapatas en general y losas de cimentación
• Los tipos dependen de las cargas que recaen sobre ellas
• Se clasifican en:
• Zapata aislada: para edificios con pilares o postes, el tamaño depende de la carga
• Zapata corrida o continua: para paredes maestras, se excavan zanjas en el perímetro
• Pozo: firme resistente a mayor profundidad para pilares o postes
• Placa o losa: para terrenos malos con asientos diferenciales, cubre toda la superficie del solar

Cimentaciones profundas

• Se realizan cuando el terreno superficial es malo y no se puede usar losa
• Se llevan las cargas a capas de terreno resistente a mayor profundidad
• Se clasifican en:
• Pilotes: se introducen en el terreno hasta profundidades considerables
  • Los pilotes se coronan con dados de hormigón armado llamados encepados para atarlos al resto de la cimentación
  • Hay pilotes de hinca prefabricados o fabricados "in situ"

Estructura vertical

• Parte de la estructura que recibe cargas de vigas y forjados y las transmite a los cimientos
• Tipos:
• A base de muros de carga
• De entramado o porticadas

Estructuras a base de muros de carga

• Las cargas se transmiten por los forjados a los muros
• Los muros son elementos resistentes
• Suelen ser estructuras isostáticas
• Los muros portantes se llaman muros de carga o paredes maestras, y cierran el exterior del edificio
• Este tipo de estructura, común hasta el siglo pasado, ya casi no se usa debido al acero laminado y hormigón armado
• Se reduce a edificaciones de escasa altura, como chalets
• Se utiliza ladrillo macizo o bloque de hormigón
• Los forjados son de madera, acero, cerámica u hormigón armado con cascotes o morteros

Elementos complementarios de las estructuras con muros de carga

• Muros de arriostramiento: aportan estabilidad frente a empujes horizontales del viento o del terreno
• Materiales resistentes a compresión para los muros:
• Piedra natural (mampostería o sillería)
• Piedra artificial (tapial, ladrillo, bloques de cemento, hormigón)
• Mixtas

Estructuras de entramado o porticadas

• Las cargas se transmiten a entramados de forjados, vigas y pilares
• Los forjados absorben las cargas y las transmiten a las vigas, y éstas a los pilares
• Los pilares transmiten las cargas al terreno
• Los muros solo tienen función de cerramiento o distribución
• Hay separación entre estructura y el resto de la obra

Materiales de las estructuras de entramado o porticadas

• Construidas con hormigón armado, acero o mixtas
• Suelen ser hiperestáticas, aumentando seguridad y estabilidad
• La construcción de edificios mediante entramados modificó la construcción tradicional
• Las técnicas permiten edificios más altos y aprovechar la superficie

Pilares

• El pilar es un elemento portante vertical prismático
• Se construye en hormigón armado
• Transmite las cargas a la cimentación
• Trabajan a compresión, pero también a flexión
• Pilar de acero: Pie derecho

Forjados y estructura horizontal

• El forjado soporta las cargas de uso y las transmite a muros y pilares
• La rigidez debe ser adecuada para evitar fisuras
• Separa plantas y aísla
• Se compone de:
• Elementos de sustentación: vigas, viguetas, losas de hormigón, etc.
• Revestimientos: pavimentos (embaldosado, parquet, etc.)
• Cielo raso: techos bajo los elementos de sustentación (enlucidos de yeso, placas prefabricadas, etc.)

Tipos de forjados

• Unidireccionales: los más comunes, transmiten las cargas en una dirección
• Bidireccionales o reticulares
• Losas prefabricadas
• Mixtos
• La elección depende de la obra

Forjados unidireccionales

• Viguetas: elementos longitudinales que soportan cargas
  • Suelen ser prefabricadas de hormigón pretensado, aunque también "in situ"
• Bovedillas: bloques de hormigón, cerámica o porexpan entre los nervios
  • No tienen misión resistente
• Zuncho de atado: viga de hormigón en la coronación del muro con armaduras
• Garantiza la unión entre las viguetas y con el muro
• Transmite las cargas del forjado al muro
• Capa de compresión: capa de hormigón armado que une los nervios
• Distribuye las cargas
• La capa superior rellena lo que existe entre las vovedillas y las viguetas
• Transmite los esfuerzos a las viguetas, que lo hacen a las vigas, que lo transmiten a los pilares

Forjados bidireccionales o reticulares

• Tienen elementos resistentes o nervios en dos direcciones perpendiculares
• Son resistentes y rígidos
• Se hacen "in situ" con hormigón armado
• El encofrado define una cuadrícula con armaduras
• Necesitan un apeo provisional
• Requieren de una capa de compresión

Forjados de losas prefabricadas

• La ejecución es muy rápida, pero requieren una grúa
• Tienen gran rigidez y no siempre necesitan capa de compresión
• Elementos:
• Zuncho perimetral armado
• Placas prefabricadas (hormigón o cerámica)
• Capa de compresión (a veces)

Forjados mixtos

• Panel autoportante de chapa de acero y hormigón armado
• Se usan en edificios industriales con estructura metálica

Vigas

• Elemento portante horizontal que transmite las cargas a apoyos verticales
• De acero (perfil definido y normalizado) o de hormigón armado (jácena)
• Consideraciones básicas:
• Encima de la línea neutra hay esfuerzos de compresión, y debajo, de tracción
• Cuanto mayor es el canto, más resistentes son las vigas
• Resisten mejor cargas repartidas

Tipos de vigas

• Viga maestra: la principal, que soporta otros elementos estructurales, como viguetas
• Vigueta o viga simple: sujeta el entrevigado
• Viga brochal: permite huecos
• Viga coja: carga un extremo sobre la viga brochal
• Viga riostra o de atado: une los pórticos
• Viga de tabique: cierra el tabique
• Viga apoyo de muro: evita la transmisión puntual de cargas

Soleras

• Revestimientos de suelos interiores de hormigón armado
• Requieren juntas de dilatación dispuestas en cuadrícula y en el contorno
• En el forjado de la cubierta, existen problemas de movimientos por factores térmicos

Cubiertas y cerchas

• La cubierta protege la edificación y proporciona techo
• Tipos de cubierta:
• Planas (azoteas), transitables o no
• Inclinadas: pueden ser a un agua (pendiente), a dos aguas, con faldones, etc.

Características de los tipos de cubierta

• La climatología influye mucho en las cubiertas
• En climas soleados y poco lluviosos abundan las cubiertas horizontales, en climas lluviosos, las inclinadas
• En zonas alpinas con grandes nevadas, las pendientes son muy fuertes
• En las cubiertas se distingue el revestimiento y la parte estructural
• El revestimiento es el material de terminación y la capa aislante
• La parte estructural soporta las cargas y las transmite a los muros o pilares
  • Estas cargas son el peso del revestimiento y de la estructura, la nieve, el viento, etc.
• Si la luz del edificio es mayor que la longitud del material, las cubiertas se arman mediante cerchas o cuchillos
• La cercha es una estructura triangular básica de piezas articuladas que transmiten las cargas a los apoyos

Elementos de las cerchas

• Pares: reciben la carga de correas y cabios y empujan al muro
• El tirante se opone al empuje
• Correas: dividen la cubierta paralelamente al alero
• La correa superior se llama cumbrera
• Cabios: dividen los faldones transversalmente
• Cabios separados entre 70 y 80cm
• En las cerchas de madera:
• El pendolón soporta al tirante
• El estribo metálico del pendolón se llama cuchillero
• Las tornapuntas evitan que flexionen los pares

Tipos de cerchas

• Metálicas: de perfiles de acero de alma llena o tubulares para cubrir grandes luces, más livianas y económicas
• Se suelen usar perfiles normalizados en L, T o doble T (I) y tubulares circulares o cuadradas/rectangulares
• Hay diversos tipos de cerchas metálicas
• De hormigón armado: para pequeñas luces, premoldeadas
• Las cerchas de hormigón resisten mejor el fuego
• Se organizan por pórticos de uno o varios tramos

Estructuras espaciales

• Son cubiertas trianguladas de mallas tridimensionales de pequeñas barras unidas
• Son ligeras, de montaje rápido, y permiten diseños variados y luces grandes
• Los nudos facilitan la construcción y garantizan la transmisión de esfuerzos

Tabiquería

• En las edificaciones existen otros elementos que no son muros de carga
• La tabiquería son los muros que separan habitaciones, de poco espesor, que no soportan las cargas del forjado
• No es necesario levantarlos al mismo tiempo que la estructura del edificio

Tipos de tabiques

• Depende de la función y ubicación
• Tabicón: pared de ladrillo hueco doble (10-15cm), para espacios de gran longitud (locales comerciales)
• Tabique: de ladrillo hueco de 5cm
• Muros de fachada: de cerramiento
• Suelen ser muros multicapa o de bloques de termoarcilla
• Muros multicapa: con muro u hoja exterior, otro interior, y separación con aislante

Fachadas ventiladas

• Es un elemento constructivo de dos hojas con una cámara de aire ventilada entre ellas
• Cada hoja a tiene su función con misiones y relaciones diferentes:
• La hoja interior forma parte del edificio y garantiza el aislamiento térmico
• La hoja exterior envuelve el edificio y define la imagen exterior
• Los materiales deben resistir bien la intemperie

Aberturas: puertas y ventanas

• Puertas: vanos regulares desde el suelo para permitir el paso
• Ventanas: aberturas elevadas para iluminación y ventilación
• El dintel soporta el peso de la obra superior y lo transmite a las jambas laterales
• Las jambas tienen ranuras para recibir el marco o cerco, que puede ir empotrado con mochetas

Escaleras

• Unen plantas mediante peldaños y tramos
• La altura de los peldaños se llama contrahuella y el fondo, huella
• El diseño depende del edificio y del desnivel

Tipos de escaleras

• Rectas
• Curvas (helicoidales o de caracol)
• Para salvar niveles, también se pueden usar rampas, pero requieren más espacio
• Los anchos de escalera vienen definidos por reglamentaciones
• Es importante que las cajas de escaleras conformen espacios cerrados para proteger contra incendios
• Ascensores, montacargas y escaleras mecánicas no deben usarse para evacuación

Edificos, fuego y riesgos

• Toda construcción lleva un riesgo de incendio
• Es fundamental ver cómo intervienen los materiales, instalaciones y demás elementos
• Pueden:
• Iniciar el fuego
• Propagar el fuego
• Aportar energía térmica
• Liberar humo y gases
• Resistir el fuego
• Alterarse química o mecánicamente
• Evacuar calor, humo y gases
• Favorecer la velocidad del fuego según geometría

Consideraciones del C.T.E.

• Todo lo anterior se valora en la fase de proyecto o reforma de una edificación, atendiendo al Código Técnico de la Edificación (CTE)
• El objetivo del CTE es reducir el riesgo de que los usuarios sufran daños por incendio
• En establecimientos industriales se rigen por el "Reglamento de Seguridad contra incendios de los establecimientos industriales"

Reacción al fuego

• Define el comportamiento de un material al fuego, mediante ensayos de laboratorios
• Clasificación hasta 2005: M0, M1, M2, M3, M4 (de menor a mayor combustibilidad)

Clasificaciónes actuales de materiales reaccionantes al fuego

• El R.D. 312/2005 anuló la anterior clasificación y adopta las euroclases
• Contribución a la propagación del fuego:
• A1: No combustible (máximo)
• A2: No combustible (menor)
• B: Combustible con contribución muy limitada
• C: Combustible con contribución limitada
• D: Combustible con contribución media
• E: Combustible con contribución alta
• F: Sin clasificar
• Opacidad de los humos producidos:
• s1: Baja opacidad
• s2: Opacidad media
• s3: Alta opacidad
• Caída de gotas o partículas inflamadas:
• d0: No las produce
• d1: Las produce en grado medio
• d2: Las produce en grado alto
• Según su aplicación: Sin subíndice para techos y paredes FL para suelos L para aislamiento de tuberías
• Ejemplos:
• C-s2,d1 (al revestir paredes y techos): combustible con contribución limitada al fuego, humo de opacidad media y gotas en grado medio
• BFL-s1 (en suelos): combustible con contribución muy limitada al fuego y produce humos de baja opacidad
• Clase A1 (M0): productos pétreos, cerámicos y metálicos, así como los vidrios, morteros, hormigones o yesos

Resistencia al fuego

• Es la capacidad de un elemento de construcción para mantener su función durante un tiempo determinado, así como integridad y aislamiento térmico
• Es decir cuanto tiempo, permanece funcional pese al fuego
• Se determina en laboratorios simulando condiciones de incendio
• La clasificación actual incluye:
• R: Estabilidad o capacidad portante: capacidad de soportar el fuego sin perder estabilidad
• E: Integridad: capacidad para no transmitir el fuego a la cara opuesta
• I: Aislamiento térmico: capacidad para no transmitir calor al la cara opuesta
• Estos parámetros se combinan (R, E, RE, EI, REI) y se indican con un número que representa el tiempo en minutos
• Escala de tiempos: 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360
• Si falla la capacidad portante o la integridad, también se entiende que falla el aislamiento
• R120: resistencia mecánica durante 120 minutos
• El60: conserva su integridad y aislamiento durante 60 minutos
• REI90: conserva su resistencia mecánica, integridad y aislamiento durante 90 minutos

Protección de los elementos constructivos

• Conviene construir con materiales de buena reacción y resistencia al fuego
• Si no es así, se recurre a:
  • Ignifugación
  • Protección o recubrimiento

Sistemas de protección contra el fuego

• Morteros: proyectados, económicos
• Hay morteros de perlita y vermiculita
• También hay morteros proyectados de lana de roca
• Pinturas intumescentes: reacción química que da lugar a una masa carbonosa con un bajo coeficiente de transmisión