Diseño de las cargas en edificios - Jorge Bernal Capítulo 5: Diseño de cargas 1

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Capítulo 5:

Diseño de las Cargas

1. Las variables del diseño.

“Traza o delineación de un edificio o de una figura. Proyecto,

plan”. Esto dice el diccionario sobre la palabra diseño. Es uno de los

vocablos más difíciles de explicar porque posee aplicación en casi to-

dos los órdenes de la actividad humana.

Hablar de “diseño de las cargas” es aún más arduo; en general

se piensa que se diseñan los edificios, pero no las cargas. La realidad,

desde las ciencias de la construcción nos entrega un concepto inverso;

solo cuando las cargas están bien estudiadas y proyectadas, es posible

un buen diseño de arquitectura. Por supuesto además está variable es-

tética y de funcionalidad.

No vamos a copiar todas las palabras que están en los globos

que rodean la palabra diseño. Es conveniente leerlas y pensar en ellas

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para entender la compleja combinación que se debe realizar para reali-

zar un acto de buen diseño.

El problema reside en que no participan de manera individual o

aislada. Cada globo ingresa al diseño conectado con los otros. La tarea

de diseño es por sobre todas las cosas una labor que necesita de tiem-

po, lo mismo que el arte. Pensar en las cargas no tiene horarios fijos,

los tiempos pueden ser largos. Ayuda la experiencia y el conocimien-

to; en los casos donde son escasos se debe consultar, preguntar.

En resumen, antes de finalizar y proyecto de arquitectura y mu-

cho antes de comenzar el cálculo del edificio se deben agotar las ta-

reas del diseño de cargas. Juntos los profesionales de la arquitectura y

de la ingeniería. En este trabajo de estudio de cargas se presentarán

otros capítulos sobre “diseño”, por ahora, éste es el primero.

2. General.

2.1 . La variedad y clasificación.

Para la construcción de un edificio se necesita del proyecto ar-

quitectónico y del estructural. En este capítulo analizamos la necesi-

dad de también aplicar el diseño de las cargas.

El diseño en todos los edificios, desde la cubierta, la estructura,

los cerramientos, las fundaciones se lo efectúa de acuerdo a las cargas.

En la ingeniería y la arquitectura no es posible diseñar o proyectar sin

antes conocer las fuerzas que actuarán sobre el objeto del diseño. Así

de simple; no puede existir proyecto sin esa variable. Saber controlar-

las y componerlas hasta lograr un equilibrio estable es arte. El ser hu-

mano las conoce, él como individuo es parte del universo gravitatorio,

de los vientos y de los sismos; posee sensibilidad.

2.2 . La voluntad del hombre y las cargas.

Analizamos cada una de las cargas y los niveles de libertad que

ofrecen al proyectista para ejercer su capacidad de diseño.

Peso propio: es función de la gravedad y de la cantidad de ma-

sa. La primera escapa de la voluntad del hombre; en el planeta Tierra

la aceleración gravitatoria es constante. La segunda, la masa puede ser

controlada mediante los espesores y la densidad de los materiales. Es

la parte del peso propio que pertenece a la decisión del proyectista.

Sobrecarga: similar a la anterior. Está en función del destino.

Los valores nominales se indican en las tablas del Cirsoc R101. En to-

dos los casos es necesario que el proyectista conozca las diferencias de

valores entre el nominal y el real. Esto lo puede observar si compara

las sobrecargas indicadas en el 4.1 del R101 (nominales) con las esta-

blecidas en la tabla C.4.2 de Comentarios del R101 (de inspección).

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Viento: la masa del aire y su desaceleración al llegar al lateral

del edificio son independientes de la voluntad del hombre. Solo una

pequeña parte puede ser controlada por proyectista; la forma del edifi-

cio y su tamaño, esas variables pueden reducir el efecto viento.

Sismo: similar al viento; la aceleración del terreno está separa-

do de la voluntad del proyectista. Solo puede maniobrar con la masa

del edificio y su centro de gravedad respecto del suelo.

Agua, nieve, hielo: pueden ser controlados con las pendientes

de las cubiertas y los sistemas de desagües.

Impacto: en el caso del arranque y frenado de los ascensores

son amortiguadas mediante resortes. Lo mismo que los grandes depó-

sitos de aire comprimido dentro de las bolsas de neopreno para evitar

el impacto de los buques contra el muelle.

Térmicas: independientes del proyectista. Pero es posible con-

trolarlas mediante las juntas de trabajo de la estructura.

Como vemos en todos los casos, de alguna u otra manera es po-

sible reducir el efecto de las cargas en función del diseño.

2.3 . El reglamento y las cargas.

El Cirsoc R101, reconoce sus limitaciones cuando establece lo

siguiente:

1.1.1. En el presente Reglamento se definen los térmi-

nos más usados relacionados con las cargas permanentes y

las sobrecargas de diseño, y se indican los valores mínimos a

tener en cuenta en el cálculo de edificios y otras estructuras.

No se incluyen las cargas de origen climático ni las solicita-

ciones provenientes de coacciones; sin embargo, debido a la

brevedad del tema y a su extensa aplicación, en el Anexo se

presentan las cargas de lluvia.

El reglamento establece cuestiones generales. En el párrafo an-

terior indica que no se incluyen todas las cargas. Esta advertencia des-

taca la necesidad del diseño de todas las cargas por parte del proyec-

tista.

1.1.2. Los valores indicados en este Reglamento son va-

lores nominales. Excepto en los casos específicamente indica-

dos, estos valores no incluyen los efectos dinámicos inheren-

tes a la función de las cargas, los que se deben analizar en los

casos en que corresponda.

El “valor nominal” significa que es un valor teórico, no real,

aceptado como posible máximo en la historia del edificio. Más adelan-

te, en el presente trabajo se incorpora un capítulo “Sobrecargas” en el

cual analizamos en profundidad estas cuestiones. La normativa del

Cirsoc R101 debe servir como guía, pero no debe desplazar la tarea

del riguroso control y análisis de todas las cargas que pueden actuar

sobre el edificio.

3. Entrepisos y diseño.

3.1 . Construcción “húmeda” y “seca”.

La mayoría de los entrepisos se ejecutan con la mezcla de ce-

mento, piedra, arena, hierro y agua. Son los llamados “de construcción

húmeda” porque requiere un tiempo de fraguado antes de su endure-

cimiento. Todos, sin excepción son pesados; su densidad oscila entre

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los 16 a 22 kN/m3 (cielorraso, losa, contrapiso, carpeta, piso). En al-

gunas obras es posible utilizar otros tipos de estructuras para entrepi-

sos más livianas, las denominadas “construcción en seco”.

Los elementos estructurales “en seco” son prefabricados y en-

samblados en obra. Vigas metálicas, correas y tablero de madera espe-

cial (multi laminados). También la estructura soporte del entrepiso

puede ser totalmente de madera.

Un entrepiso “en seco” puede pesar una décima parte del húme-

do. Un entrepiso de losa de hormigón con su contrapiso oscila en los

5,0 kN/m2, mientras que uno de placas con su estructura se encuentra

en los 0,5 kg/m2. También es válido el análisis de una pared interna de

mampostería maciza de 0,15 metros, con su revoque pesa 2,5 kN/m2 y

la de doble tabique de yeso (Durlock) pesa 0,4 kN/m2, es la sexta par-

te.

3.2 . Contrapiso, sanitarios y escaleras.

Es difícil imponer estos cambios en los sistemas constructivos.

El hombre está afectado por la costumbre, por la tradición y considera

que el único entrepiso es el ejecutado con hormigón armado. El pro-

blema acústico de los livianos o secos se soluciona mediante inyec-

ción de aislantes térmicos y acústicos celulósicos de muy baja densi-

dad.

El gran conflicto de los contrapisos son las escaleras, los bal-

cones y los sanitarios. El peralte, la altura de primer o último escalón

de escalera en ocasiones se lo ajusta con la altura de contrapiso. Pero

se aumenta el espesor en toda la planta. En otros casos el proyecto de

arquitectura olvida que los pisos de balcones deben tener un nivel más

bajo que el del interior de los locales. También se resuelve con el con-

trapiso. Por último, para esconder las cañerías de desagües también se

utiliza el espesor de contrapiso como recurso. En definitiva el contra-

piso termina siendo el ítem donde se esconden los equívocos de la

construcción.

Enviar toda la cañería de sanitarios por debajo de losa y escon-

didas en cielorrasos suspendidos es una excelente solución para bajar

pesos en el edificio. Los contrapisos utilizados en ocasiones para “es-

conder” las cañerías poseen valores de carga diez y más veces que la

del cielorraso.

De todos los elementos estructurales, el voladizo es el más sen-

sible a los cambios de las cargas y de las longitudes. En la mayoría de

los edificios los voladizos se materializan mediante balcones que dan

al frente o fondo del edificio. La situación de colapso en los balcones,

es repetida y desgraciada. Los usuarios, los propietarios, transforman a

los balcones en lugares de acopio de planteros y macetas de elevado

peso (no tenidas en cuenta en el origen) con el agravante de las aguas

ácidas.

Tanto que en la Argentina se ha aprobado una ley llamada “ley

de los balcones” donde el poder legislativo ingresa en el área de la in-

geniería y la arquitectura para establecer normas sobre el diseño y uso

de los balcones.

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4. Diseño comparativo de entrepiso.

4.1 . Partes.

El diseño de un entrepiso cuya estructura soporte sea una losa

de hormigón, tiene muchas variables de diseño que las enumero (des-

de abajo hacia arriba) para no equivocarme:

El cielorraso.

La losa estructural resistente.

El contrapiso.

El mortero de asiento.

El piso.

Las paredes.

Las sobrecargas.

Arriba se mencionan siete elementos; cinco están indicados en

el esquema. Las paredes y sobrecargas se analizan en función del des-

tino. Un edificio para viviendas posee mayor cantidad de paredes divi-

sorias que uno destinado a oficinas.

4.2 . Ejemplo comparativo.

En los esquemas y tablas que siguen se estudia una compara-

tiva entre un entrepiso tradicional de losa maciza de hormigón con to-

dos los elementos que habitualmente componen el “paquete”. En el

otro análisis se realiza con una losa de viguetas pretensadas, ladrillo-

nes de poliéster expandido y mucho cuidado en la elección de los pi-

sos, contrapisos y cielorrasos. Vea lector las diferencias que se obtie-

nen.

En estos análisis no se incorporan las sobrecargas de uso y las

paredes.

Entrepiso tradicional.

Designación espesor Densidad

MN/m2 Peso N

1 Piso granítico 0,02 2,2 440 2 Mortero asiento 0,02 2,2 440 3 Contrapiso 0,12 2,1 2520 3 Losa hormigón 0,17 2,2 4080 4 Cielorraso aplicado 0,02 2,0 400 Total N 7880 Total kN 7,88

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Entrepiso alternativo.

Designación espesor Densidad

MN/m2 Peso N

1 Piso liviano 0,01 0,9 90 2 Adhesivo 0,005 0,8 40 3 Carpeta cemento 0,015 2,2 330 4 Contrapiso liviano 0,06 1,4 840 5 Losa viguetas 1800 6 Cielorraso liviano 0,01 2,0 200 Total N 3300 Total kN 3,30

La diferencia entre el diseño tradicional y la alternativa es de

4,58 kN por metro cuadrado; es una cifra reducida, así, vista de mane-

ra individual. Pero si el edificio en altura, posee por ejemplo, 10.000

metros cuadrados. Esa diferencia se transforma en 45.800 kN (≈ 4.580

toneladas) que resulta un valor muy alto, tanto que puede modificar y

economizar no sólo la estructura soporte de vigas y columnas, sino

también el sistema de fundación.

4.3 Resumen.

Hemos maniobrado solo con las variables de densidad y vo-

lumen de los componentes de un entrepiso de hormigón. Dejamos de

lado las sobrecargas, los coeficientes de seguridad, la no simultanei-

dad de los efectos. Si hubiéramos incorporado todos ellos, las diferen-

cias de un entrepiso sin diseño y el otro con cuidadoso control resulta-

ría más elevada. Para terminar, recordemos que el insumo de hormi-

gón de losas en un edificio normal supera el 65 % del total.

5. Ejemplo de diseño; material y forma.

En la mayoría de los casos, en la construcción de los edificios

se buscan materiales livianos. El problema que los materiales estructu-

rales de alta resistencia son pesados, como el hierro y el hormigón ar-

mado. En una zona intermedia se encuentra la madera, pero es mate-

rial estructural de estructuras pequeñas.

En proyectos especiales no queda otra alternativa que utilizar

el hierro y el hormigón armado, entonces, en estos casos es necesario

ajustar el proyecto arquitectónico al proyecto estructural. Para la ex-

plicación mostramos el ejemplo de un estadio de tenis. En el diseño

predomina el aspecto estructural.

En el corte la cubierta está sostenida por un conjunto de bielas

y tensores. Los tensores externos indicados con vectores se anclan en

un cabezal de hormigón y pilotes en el suelo. Composición y descom-

posición de fuerzas que logran sostener el techo desde arriba. Elimi-

nado todas las columnas en el interior.

Es tan eficiente el diseño estructural que el techo con su es-

tructura resulta muy liviano. La contrapartida se encuentra en las car-

gas negativas de viento.

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La estructura no puede sostener las fuerzas de succión. Para

solucionar esta inestabilidad se utilizaron los pasillos técnicos suspen-

didos de la cubierta. Los pasillos que son utilizados para el manteni-

miento de la cartelera, iluminación y sonido. El piso de esos pasillos,

en vez de hacerlos con rejillas metálicas livianas, se utilizó bloques de

hormigón de alto peso. Con ello, con esta elevada carga gravitatoria se

puso a todo el sistema en pre carga. La necesaria para sostener las ne-

gativas de succión.