Generalidades y Cimentación de Sistemas Estructurales PDF

SISTEMAS ESTRUCTURALES VI GENERALIDADES Y CIMENTACIÓN MC. ARQ. ANDRES BRUNO RIVERA [email protected] DISEÑO ESTRUCTURAL IV ESTRUCTURAS INTENCIÓN FORMAL, COMPOSICIÓN, CIMIENTOS, SUPERESTRUCTURAS...

SISTEMAS ESTRUCTURALES VI GENERALIDADES Y CIMENTACIÓN MC. ARQ. ANDRES BRUNO RIVERA [email protected] DISEÑO ESTRUCTURAL IV ESTRUCTURAS INTENCIÓN FORMAL, COMPOSICIÓN, CIMIENTOS, SUPERESTRUCTURAS DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Le Corbusier, pabellón Heidi Weber, Zúrich, INTENCIÓN FORMAL Suiza, 1965. Un parasol de acero se apoya sobre un entramado modular Existen tres vías con lados formados por paneles de vidrio y fundamentales por las acero. cuales el sistema estructural puede Frank O. Gehry, Museo Guggenheim, Bilbao, relacionarse con la forma España, 1991-1997 de un proyecto: a) Exponer el sistema estructural b) Ocultar la estructura Félix Candela, Los c) Enfatizar la Manantiales, Xochimilco, estructura México, 1958. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Iglesia de san Sergio y san Baco, Estambul, Turquía, 527- 536 d. C. Hans Scharoun, Filarmónica de Berlín, Alemania, 1960- 1963 Walter Eero Saarinen, terminal del aeropuerto de Dulles, Netsch/Skidmor Chantilly (Virginia), Estados Unidos, 1958-1962. e, Owings & Merrill (SOM), capilla de la Academia del Aire, Colorado Springs (Colorado), Estados Unidos, 1956-1962. DISEÑO ESTRUCTURAL IV COMPOSICIÓN ESPACIAL La forma de un sistema estructural y la distribución de sus elementos verticales y horizontales pueden relacionarse con la organización y la composición de un proyecto (diseño arquitectónico) de dos maneras fundamentales. 1) CORRESPONDENCIA. Consiste en hacer corresponder las formas Giuseppe Terragni, Casa del Fascio, Como, Italia, 1932-1936. del sistema estructural y de la composición espacial. 2) CONSTRASTE. Supone plantear una relación menos rígida, de modo que la forma y el esquema estructural permitan una mayor libertad y flexibilidad a la distribución espacial. Renzo Piano, sala Sinopoli, auditorio Parco della Musica, Roma, Italia, 1994-2002. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Un sistema puede definirse como la unión de partes interrelacionadas que forman un conjunto más complejo y unificado al servicio de un propósito común. Un edificio puede ser entendido como la conjunción física de una serie de sistemas y subsistemas que deben estar necesariamente relacionados, coordinados e integrados entre sí, y con la forma y organización espacial en su conjunto. Concretamente, el sistema estructural de un edificio consiste en la unión estable de elementos estructurales, diseñados y construidos para soportar y transmitir las cargas al terreno de forma segura. Antes de que los distintos elementos puedan ser aislados para su estudio y cálculo, es importante que el proyectista comprenda cómo se acomoda el sistema estructural y soporta de forma global las formas, los espacios y las relaciones derivadas del programa o de la integración en el lugar de un proyecto arquitectónico. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Con independencia del tamaño y la escala de un edificio, este comprende sistemas físicos de estructura y cerramiento que definen y organizan las formas y los espacios. Estos elementos pueden clasificarse también en: a) Superestructura y b) Subestructura (cimientos) DISEÑO ESTRUCTURAL IV a) CIMIENTOS Parte inferior de un edificio, construidos parcial o totalmente bajo la superficie del terreno. Función primaria es soportar y anclar la superestructura superior y transmitir las cargas al terreno de una forma segura. Deben diseñarse para acomodar la forma y la distribución de la estructura y responder a las condiciones variables del suelo, la roca o el agua que están por debajo. Las cargas principales sobre una cimentación son la suma del peso propio y las sobrecargas verticales sobre la estructura. Además, los cimientos deben anclar la superestructura para evitar el deslizamiento, el vuelco o la elevación por acción del viento, soportar terremotos, y la presión que ejercen el terreno y las aguas subterráneas sobre los muros de contención. En algunos casos, los cimientos también deben soportar los empujes laterales de arcos o estructuras tensadas. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  A la hora de seleccionar el tipo de cimientos, y del diseño estructural debemos analizar el lugar donde se va a construir a) Relación con la superestructura: el tipo y la distribución de los elementos de la cimentación tienen una gran influencia en la distribución de los soportes de la superestructura. En la medida de lo posible, debe mantenerse la continuidad vertical en la transmisión de las cargas, para optimizar la eficiencia estructural. b) Tipo de suelo: la integridad de la estructura depende en última instancia de la estabilidad y la resistencia a la presión del suelo que hay bajo los cimientos. La capacidad de carga del suelo puede limitar el tamaño del edificio o requerir cimentaciones profundas. c) Relación con la topografía: los aspectos topográficos del emplazamiento de un edificio tienen implicaciones y consecuencias tanto ecológicas como estructurales, y requieren que cualquier construcción muestre sensibilidad hacia las formas naturales de drenaje, los riesgos de inundación, erosión o deslizamiento, así como prever la protección de los ecosistemas presentes Tipos: Suerficiales y profundas DISEÑO ESTRUCTURAL IV CIMENTACIONES SUPERFICIALES Se emplean cuando a poca profundidad hay un suelo estable y con suficiente capacidad de carga. Transfieren las cargas del edificio al suelo mediante esfuerzos verticales de compresión. Las cimentaciones superficiales pueden asumir cualquiera de las siguientes formas: a) Puntuales: zapatas aisladas b) Lineales: muros y zanjas de cimentación c) Planas: losas de cimentación (losas gruesas de hormigón armado como soporte único y monolítico de una serie de pilares o incluso de todo un edificio). Se utilizan cuando la capacidad de carga del terreno es baja en relación con las cargas del edificio, y las zapatas aisladas tendrían que ser tan grandes que es más económico fusionarlas en una única losa. Estas losas de cimentación pueden arriostrarse mediante una malla de nervaduras, vigas o muros. DISEÑO ESTRUCTURAL IV CIMENTACIONES PROFUNDAS Consisten en pilotes que atraviesan el terreno no resistente y transmiten las cargas hasta un estrato de roca o gravas y arenas densas con la suficiente resistencia. DISEÑO ESTRUCTURAL IV b) SUPERESTRUCTURA La superestructura, o extensión vertical de un edificio por encima de la cimentación, consta de 1) un cerramiento y 2) una estructura interior que definen la forma de un edificio y su distribución y composición espacial. 1) Cerramiento El cerramiento o envoltura de un edificio, incluyendo la cubierta, los muros exteriores, las ventanas y las puertas, proporciona protección y refugio a los espacios interiores del edificio. La cubierta y los muros exteriores protegen los espacios interiores de las inclemencias climáticas y controlan la humedad, la temperatura y el flujo de aire a través de las distintas capas constructivas. Los muros exteriores y la cubierta también amortiguan el ruido y proporcionan seguridad y privacidad a los ocupantes del edificio. Las puertas proporcionan acceso físico. Las ventanas proporcionan luz, aire y vistas. DISEÑO ESTRUCTURAL IV 2) Estructura Para soportar el cerramiento de un edificio, así como de los forjados y particiones interiores, se requiere un sistema estructural que transfiera las cargas aplicadas a los cimientos. Pilares, vigas y muros de carga soportan los forjados y la cubierta. Los forjados son planos horizontales que forman el suelo de los espacios interiores y soportan las actividades y el mobiliario del interior. Los muros y tabiques interiores subdividen el interior de un edificio en unidades espaciales. Los elementos de arriostramiento se encargan de proporcionar estabilidad lateral frente a cargas horizontales. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  En el proceso de construcción, la superestructura se eleva a partir Cerramiento SUPERESTRUCTURA de los cimientos, siguiendo las mismas trayectorias por Estructura las cuales la primera transmite las cargas hasta los segundos. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  La intención formal de un proyecto arquitectónico puede venir ofrecido, dado, sugerido o impuesto por el emplazamiento y el contexto, el programa y la función, o por el propósito y el significado. Al tiempo que pensamos en las opciones formales y espaciales, también deberíamos empezar a evaluar nuestras opciones estructurales —materiales, tipos de soportes, vigas, forjados y arriostramientos— y cómo pueden influir, apoyar o reforzar dichas opciones las dimensiones formales y espaciales de la idea de proyecto. En una fase posterior del proceso de proyecto también será necesario investigar la forma y las dimensiones de cada componente, así como el detalle de las uniones. No obstante, previamente hay que decidir sobre estos aspectos más generales de la estructura, pues son los que determinan, en última instancia, la dirección y fijan los parámetros para el desarrollo arquitectónico y constructivo del proyecto. DISEÑO ESTRUCTURAL IV TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES Puede elegirse un sistema estructural adecuado siempre que se comprendan los atributos formales de los distintos sistemas frente a las cargas aplicadas y su transmisión a las cimentaciones. 1) Flexión (Vigas y pilares) 2) Vectores (Cerchas) 3) Muros de carga y entrepisos (forjados) 4) Superficie activa (membranas, bóveda) 5) Forma activa (Arco, catenaria) 6) Estructuras ligeras (membranas y mallas) DISEÑO ESTRUCTURAL IV 1) E. Flexión (vigas y pilares). Redirigen las cargas exteriores recurriendo principalmente a la masa y la continuidad de sus componentes, como vigas y pilares. 2) E. de Vector activo redirigen las cargas exteriores principalmente a través de la tracción y la compresión de sus componentes, como es el caso de las cerchas. 3) Muros de carga. Las proporciones de los elementos estructurales, como los muros de carga, las losas de forjados y cubiertas, bóvedas o cúpulas dan pistas visuales sobre su papel en un sistema estructural y la naturaleza de sus materiales. Un muro de fábrica, resistente a compresión pero relativamente débil a flexión, será más grueso que un muro de hormigón armado que realice la misma función. Un pilar de acero será más delgado que un poste de madera que deba soportar la misma carga. Una losa de 10 cm de hormigón armado cubrirá luces mayores que un forjado de madera del mismo grosor. DISEÑO ESTRUCTURAL IV 4) E. de Superficie Activa. redirigen las cargas exteriores principalmente a lo largo de una superficie, como puede ser una estructura de membrana. 5) E. de forma activa redirigen las cargas exteriores principalmente a través de la forma de sus materiales, como es el caso de un arco o una catenaria. 6) E. Ligeras (membranas y mallas). En la medida en la cual una estructura dependa menos del peso y la rigidez de un material y más de su geometría para lograr la estabilidad, como es el caso de las estructuras de membranas y de mallas espaciales, sus componentes podrán ser más y más delgados, hasta el punto de que pierdan su capacidad para definir la escala y la dimensión espacial. DISEÑO ESTRUCTURAL IV ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL Antes de discutir sobre el diseño estructural, s necesario distinguir entre diseño y análisis estructural. El análisis estructural es el procedimiento por el cual se determina la capacidad de una estructura, o de sus componentes, para transmitir cargas sin deformación excesiva, la forma y las dimensiones de todos los componentes, los tipos de unión y soporte utilizados, y las resistencias tolerables para los materiales empleados. En otras palabras, el análisis estructural solo puede producirse una vez definidas una estructura y unas condiciones de carga concretas. El diseño estructural se refiere al proceso de organizar, interconectar, dimensionar y proporcionar los componentes de un sistema estructural cuya función consiste en transferir una serie dada de cargas sin exceder la resistencia de los materiales empelados. Al igual que otras facetas del proyecto, el diseño estructural debe operar en un entorno de incertidumbre, ambigüedad y aproximación. Supone la búsqueda de un sistema estructural que no solo asuma los requisitos impuestos por las cargas, sino que también dé respuesta al resto de aspectos arquitectónicos, urbanísticos y funcionales del proyecto. El primer paso del proceso de diseño estructural puede tener su origen en la naturaleza del diseño arquitectónico, su emplazamiento y su contexto, o por la disponibilidad de ciertos materiales. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Existen tres tipos fundamentales de conexiones estructurales. 1) Articulaciones: permiten la rotación pero impiden el desplazamiento en cualquier dirección. 2) Apoyos simples: permiten la rotación pero impiden el desplazamiento en perpendicular a su plano. 3) Empotramientos o uniones rígidas: mantienen un determinado ángulo entre los componentes unidos, restringen la rotación y la traslación en cualquier dirección, y proporcionan momento y fuerza de reacción. 4) Anclajes de cables: permiten rotación, pero solo resisten la traslación en la dirección del cable. DISEÑO ESTRUCTURAL IV Cuestiones fundamentales: ¿Cuáles son las actividades que determinaran la escala de los espacios? ¿Cuáles son los requisitos que impone la normativa? Constructivas, legales y urbanisticas ¿Cuales son los limitantes de costos y tiempos? DISEÑO ESTRUCTURAL IV Retículas regulares Retículas iregulares Cuadradas Adición y subtraccion Rectangulares Escala y proporciones Radiales Modificación de geometria DISEÑO ESTRUCTURAL IV RETÍCULAS DE CIMENTACIÓN ESQUEMAS EN CONTEXTO DISEÑO ESTRUCTURAL IV Retículas de cimentación La función principal de los cimientos es soportar y anclar la estructura que se levanta sobre ellos, transmitiendo las cargas de forma segura al terreno. Puesto que la cimentación asume una función crítica en la La magnitud, el esquema y la distribución de distribución y resolución las cargas del edificio sobre la cimentación de las cargas del edificio, están directamente relacionados con el su esquema de soportes tamaño y la disposición de los módulos debe diseñarse para estructurales. Módulos estructurales de luces menores acomodarse tanto a la distribuyen sus cargas entre un número mayor forma y a la disposición de zapatas de un tamaño menor. de la estructura que Por el contrario, luces mayores implican un soporta como a las número menor de zapatas, pero cada una de distintas características ellas tendrá unas dimensiones mayores. del suelo, la roca y el agua subterránea. Losa de cimentación. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Construcción en ladera Las cimentaciones de pilotes pueden utilizarse en terrenos irregulares o en Una serie de muros laderas, especialmente en superficiales de contención inestables hasta alcanzar un estrato más paralelos a la resistente. ladera pueden Cuando es deseable o necesario excavar proporcionar un una ladera, suele recurrirse a muros de soporte continuo contención para contener la masa de tierra para la estructura por encima de la excavación. del edificio. No es El suelo contenido se considera como un recomendable fluido que ejerce un empuje lateral sobre la apoyar el peso del cara del muro de contención. edificio sobre el El momento de vuelco generado por el terreno por detrás empuje y la resistencia opuesta depende de la del muro de altura del muro. contención. La Al aumentar la altura del muro, puede ser localización de los necesario dotarlo de un talón trasero, muros de anclajes o contrafuertes; estos consisten contención, por en muros perpendiculares que arriostran la tanto, debería losa del muro y añaden peso a su cimentación. coincidir con las líneas de apoyo del edificio bajo el cual DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Un muro de contención puede colapsar por: vuelco, deslizamiento lateral o asiento excesivo. El empuje tiende a volcar el muro de contención pivotando en la puntera de la base. Para prevenir el vuelco del muro, el momento resistente del peso del muro y del terreno sobre el talón de la base debe contrarrestar el momento de vuelco generado por el empuje del terreno. Para evitar el deslizamiento del muro de contención, el peso compuesto del muro y del terreno apoyado sobre su base, multiplicado por el coeficiente de fricción del suelo bajo el muro, debe contrarrestar el empuje lateral sobre el muro. El empuje pasivo del terreno situado sobre la base del muro ayuda a resistir el empuje lateral. Para prevenir el asiento del muro de contención, la carga vertical no debe exceder la capacidad portante del terreno. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  En proyectos pequeños y cuando el diseño no requiere la excavación en una ladera, pueden plantearse vigas que cosan la cimentación en una única unidad rígida que asu vez se ancla a los pilotes, situados normalmente en la parte superior de la parcela. Esta solución es adecuada allí donde se busca una perturbación mínima del lugar y donde el edificio es accesible, principalmente desde la parte superior. Cuando un proyecto no requiere una excavación en ladera, los muros de cimentación pueden disponerse en perpendicular a la pendiente y escalonados siguiendo la topografía. Puesto que estas cimentaciones escalonadas no retienen el terreno, normalmente no requieren el armado y los grandes cimientos de los muros de contención. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Las zapatas deben escalonarse cuando sea necesario mantenerlas sobre un terreno con pendientes superiores al 10%. El canto de las zapatas debe mantenerse también en sus tramos verticales. Las zapatas deben situarse sobre suelos naturales o convenientemente compactados. La base de las zapatas debe situarse al menos 30 cm por debajo del nivel del terreno, excepto en zonas con riesgo de heladas, en cuyo caso deben situarse por debajo de la línea de heladicidad. La parte superior de las zapatas debe estar nivelada, mientras que la cara inferior puede tener una pendiente de hasta el 10 %. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Estructuras de aparcamiento Cuando el único propósito de una estructura es servir de aparcamiento, las dimensiones específicas requeridas para maniobrar y estacionar los vehículos dictan las posibles posiciones de los soportes para organizar los módulos estructurales. Cuando el aparcamiento es una función secundaria de un edificio, suele situarse en las plantas inferiores de la estructura, mientras que el resto de los usos ocupan las plantas superiores. A menudo es difícil resolver una retícula estructural adecuada para las plantas superiores y que se acomode de forma eficaz al aparcamiento. Superponer las condiciones de ambas funciones puede resultar útil para identificar una retícula común que aproveche la flexibilidad en la disposición de los soportes. Cuando no es posible alinear los soportes, puede ser viable utilizar vigas de apeo para trasladar las cargas de las plantas superiores hasta los cimientos a través de las plantas de aparcamiento, aunque esta solución debe evitarse al máximo. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  En edificios de uso mixto en los cuales dos usos —como el aparcamiento y la vivienda— requieren un grado específico de aislamiento al fuego, puede plantearse un forjado de separación en forma de losa postensada de hormigón de cierto grosor. La losa es capaz de transmitir las cargas de soportes y muros de contención de las plantas superiores a la estructura del aparcamiento, al tiempo que proporciona el aislamiento frente al fuego requerido. Esto solo es viable cuando la estructura superior está sometida a cargas relativamente ligeras, y probablemente será poco eficiente en términos económicos si se producen cargas concentradas elevadas o cuando el desfase entre los soportes implica la aparición de cargas concentradas en la parte central de los vanos mayores DISEÑO ESTRUCTURAL IV  Los pilares de un aparcamiento deberan situarse, entre plazas adyacentes en un sentido, y en un múltiplo de la anchura de las plazas de aparcamiento, para permitir las maniobras de los automóviles y abertura de las puertas. Los pilares deberan ser visibles en maniobras. Todos estos requisitos producen luces moderadamente amplias de unos 18 m. En los diagramas en planta, hay lugares alternativos para los soportes (triángulos negros indican posibles líneas de soporte). Puede verse que hay una diversidad de luces viables que posibilitan la coordinación de una distribución particular con la distribución de la estructura superior. DISEÑO ESTRUCTURAL IV  BIBLIOGRAFÍA Niglio, O. (2012). La restauración en la arquitectura: métodos y técnicas de análisis: ( ed.). Ibagué, Colombia: Universidad de Ibagué. Recuperado de https://elibro.net/es/ereader/ucem/70750?page=8. Rúa García, M. (2011). Arquitecturas restauradas: ( ed.). Oviedo, Asturias, Spain: Síntesis Arquitectura. Recuperado de https://elibro.net/es/ereader/ucem/59732?page=12. López-Menchero Bendicho, V. M. (2012). Manual para la puesta en valor del patrimonio arqueológico al aire libre: ( ed.). Asturias, Spain: Ediciones Trea. Recuperado de https://elibro.net/es/ereader/ucem/60517?page=13. DISEÑO ESTRUCTURAL IV