predimecionamiento y estructuracion una puno

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO PUNO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

ANALISIS ESTRUCTURAL I

ESTRUCTURACIN Y PREDIMENSIONAMIENTO

ING. HECTOR AROQUIPA VELASQUEZ

PUNO, NOVIEMBRE 2012

LA INGENIERA ESTRUCTURAL

Ingeniera estructural es la aplicacin de los conocimientos de la Mecnica, ciencia que estudia las fuerzas y sus efectos, al arte de disear estructuras.

En el anlisis estructural conjugamos conocimientos de ciencias bsicas aplicadas al arte de la ingeniera para encontrar fuerzas y deformaciones en una estructura.

OBJETIVOS DE LA INGENIERA ESTRUCTURAL

Objetivo General

Identificar, estudiar alternativas, seleccionar, analizar y verificar resultados de la solucin estructural a un problema ingenieril, teniendo presentes los criterios de funcionalidad, economa y seguridad.

En el diseo estructural completo se distinguen dos etapas: anlisis y diseo.

Objetivo del Anlisis

Determinar fuerzas internas (axiales, cortantes, momentos) y deformaciones de una estructura, sobre la base de: una forma dada de la estructura, del tamao y propiedades del material usado en los elementos y de las cargas aplicadas.


Objetivo del Diseo

Seleccin de la forma, de los materiales y detallado (dimensiones, conexiones y refuerzo) de los componentes que conforman el sistema estructural.

Ambas etapas son inseparables, parecera que se empieza por el diseo, ya que es en esta etapa donde se crea y luego se analiza, pero las cosas no terminan ah, se requiere verificar que las fuerzas encontradas en el anlisis, si son soportadas y resistidas con los materiales y dimensiones seleccionadas, por lo tanto volveramos al diseo, es decir, el proceso es iterativo.


CAPITULO II

ESTRUCTURACION Y PREDIMENSIONAMIENTO

1.1. ESTRUCTURACION Y PREDIMENSIONAMIENTO

QUE ES ESTRUCTURAR? SISTEMA ESTRUCTURAL

Es el arte de ensamblaje de miembros o elementos independientes para conformar un cuerpo nico y cuyo objetivo es darle solucin (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 bsicos de la mecnica.

El sistema estructural constituye el soporte bsico, el armazn o esqueleto de la estructura total y l transmite las fuerzas actuantes a sus apoyos de tal manera que se garantice seguridad, funcionalidad y economa.

En una estructura se combinan y se juega con tres aspectos: FORMA

MATERIALES Y DIMENSIONES DE ELEMENTOS

CARGAS

los cuales determinan la funcionalidad, economa y esttica de la solucin propuesta.

ELECCIN DEL SISTEMA ESTRUCTURAL

ALBAILERA,

A PORTICADO,

MIXTO

SISTEMA DUAL

MUROS Y SISTEMA DE PISOS

ETC.

EDIFICIO APORTICADO(VIGAS Y COLUMNAS DE CA)

APORTICADOCON MUROS (TABIQUES) DE RELLENO

EDIFICIOS DE ALBAILERA

Mixto I (Prticos y Albailera)

Mixto II (Prticos y Muros Estructurales)

Slo Muros Estructurales

Edificios de muros de ductilidad limitada

Sistema dual (muros estructurales y prticos)

Edificios de losas sin vigas


Generalidades.

Importancia de la configuracin estructural en el comportamiento Ssmico. Las recomendaciones para la seleccin correcta de la configuracin estructural de un edificio incluye la forma de la construccin en planta y en elevacin, as como la distribucin y arreglo de los elementos estructurales que constituyen el esqueleto resistente del edificio.

La forma, el tamao, naturaleza y los elementos que actan ssmicamente; son lo que definen la configuracin estructural de un edificio. El nmero de pisos y sus alturas constituyen un factor ssmico. Las escaleras constituyen un elemento fijo en la estructura del edificio que representa un punto de rigidez localizada. Las escaleras y elevadores representan interrupciones en los pisos que afectan el comportamiento ssmico de ste y esta influencia puede ser en mayor o en menor medida dependiendo de donde su localizacin. La recomendacin ms frecuente de estructuracin para zonas ssmicas tiende a edificios regulares y robustos


Forma de la construccin, tipo y arreglo de los elementos estructurales

Sencillez, uniformidad y simetra de la construccin

Evitar rarezas Arquitectnicas

La distribucin simtrica

Sistemas Estructurales que proporcionan rigidez

Buscar una forma regular tanto en planta como en elevacin

Uniformidad de Resistencia y Rigidez

Sistemas de piso suficientemente rgidos y resistentes

La cimentacin deber ayudar a que el edificio y el suelo acten monolticamente


EDIFICIOS SIMPLES

EDIFICIOS COMPLEJOS

Recomendaciones para la seleccin de la correcta configuracin estructural de un edificio, Caractersticas Relevantes

a. El peso

Buscar ligereza

Evitar masas excesivas en la parte alta.

Evitar diferencias en los pesos de pisos sucesivos

Peso distribuido simtricamente en la planta de cada piso


b. Formas del edificio en planta

Evitar asimetras

Coincidencia de centro de masa con el de torsin

Separacin de cuerpos con juntas ssmicas

Unir con vigas de liga

Evitar alargamientos

No usar esquinas entrantes

Planta lo ms compacta posible, para evitar concentraciones de esfuerzos

c. Forma del edificio en elevacin

Sencillez, regularidad y simetra

Evitar reducciones bruscas en niveles superiores

Evitar esbeltez excesiva puede provocar volteo


d. Separacin entre edificios adyacentes Debemos buscar una separacin con respecto a edificios adyacentes, para evitar que se golpeen unos a otros durante la vibracin de un sismo.

Requisitos bsicos de estructuracin Para edificios en zonas ssmicas: a) Configuracin de elementos estructurales que brinden resistencia y

rigidez a cargas laterales en cualquier direccin. Usando sistemas resistentes en dos direcciones ortogonales

b) Esta configuracin debe permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas ssmicas.

c) Evitar amplificaciones de las vibraciones, las concentraciones de solicitaciones y las vibraciones torsionales, por eso buscamos una estructura sencilla, regular, simtrica y continua.

d) Disponer de redundancia y de capacidad de deformacin inelstica para disipar la energa de un sismo, utilizando amortiguamiento inelstico elevado.


Requisitos especficos de estructuracin El edificio deber tener un sistema estructural que le de rigidez y resistencia en dos direcciones ortogonales. Pueden colocarse muros o contravientos. Es recomendable disponer de una longitud adecuada de muros alineados en las dos direcciones. Debemos buscar al mnimo la vibracin torsional, evitando la asimetra. Tambin necesitamos que la estructuracin posea una elevada rigidez torsional para hacer frente a posibles torsiones accidentales, as los elementos mas rgidos deben estar en la periferia.

Debemos evitar excentricidades, equilibrando la rigidez de los marcos, la continuidad en elevacin del sistema estructural, y evitar los cambios bruscos de rigidez y resistencia. Ventajas y limitaciones de los sistemas estructurales bsicos Marcos rgidos Permite una gran libertad en el uso del espacio interno el edificio. Tiene gran ductilidad y capacidad de disipar la energa, utilizando un requisito llamado viga dbil-columna fuerte su comportamiento se rige por las deformaciones de deflexin, adems de contar con un alta flexibilidad.


1. Eleccin del sistema estructural ALBAILERA O A PORTICADO O MIXTO (muros y sistema de pisos)

2. Definicin de la forma y de la cantidad, continuidad y distribucin de los elementos que forman el sistema estructural en planta y en altura Configuracin y estructuracin.

Simplicidad Y Simetra.

Resistencia Y Ductilidad

Hiperestaticidad Y Monolitismo.

Uniformidad Y Continuidad De La Estructura

Rigidez Lateral

Diafragma Rgida

Elementos No Estructurales

Sub Estructura O Cimentacin.


1. SIMPLICIDAD Y SIMETRIA

La experiencia ha demostrado repetidamente que las estructuras simples se comportan mejor durante los sismos. Hay dos razones principales para que esto sea as. Primero, nuestra habilidad para predecir el comportamiento ssmico de una estructura es marcadamente mayor para las estructuras simples que para las complejas; y segundo, nuestra habilidad para idealizar los elementos estructurales es mayor para las estructuras simples que para las complicadas. La simetra de la estructura en dos direcciones es deseable por las mismas razones; la falta de simetra produce efectos torsionales que son difciles de evaluar y pueden ser muy destructivos.


Simplicidad y Simetra.

Acerca de la simplicidad:

Las estructuras simples son ms fciles de idealizar y de predecir su comportamiento.

Peso mnimo (sobre todo en los pisos altos)

Acerca de la simetra:

La simetra evita la presencia de efectos torsionales (coincidencia entre el centro de masa y el centro de rigidez).

Fallas relacionadas con la SIMETRA Torsin en planta Asimetra en planta Asimetra en elevacin

Falla de edificacin con asimetra en planta

Hotel Embassy. Sismo Pisco 15/08/2007

NO SI

Forma inadecuada adecuada

Irregular Simtrica

Configuracin de una EDIFICACION sismorresistente Forma adecuada

Plantas simples y regulares. Las plantas con formas de L, T, etc., debern ser evitadas o, en todo caso, se dividirn en formas simples.

Comentario Las plantas irregulares en forma de T, L, H, Z, U han mostrado tener mal comportamiento ssmico, por el hecho de que cada zona est sujeta a fuerzas de inercias que podran actuar simultneamente en sentidos indeseables, por tal razn se especifica desdoblar este tipo de edificacin en bloques simples mediante juntas verticales

FENMENO DE ALETEO

ANCHORAGE, ALASKA 1964

Edificios con asimetra en elevacin. (Efecto de latigazo debido al cambio brusco de rigidez

concentracin de esfuerzos)

2. RESISTENCIA Y DUCTILIDAD

Las estructuras deben tener resistencia ssmica adecuada por lo menos en dos direcciones ortogonales o aproximadamente ortogonales, de tal manera que se garantice la estabilidad tanto de la estructura como un todo, como de cada una de sus elementos. La caracterstica fundamental de la solicitacin ssmica es su eventualidad; por esta razn, las fuerzas de sismo se establecen para valores intermedios de la solicitacin, confiriendo a la estructura una resistencia inferior a la mxima necesaria, debiendo complementarse el saldo otorgndole una adecuada ductilidad., es la ubicacin de las rtulas plsticas. El diseo debe tender a que estas se produzcan en los elementos que contribuyan menos a la estabilidad de la estructura, por esta razn, es conveniente que se produzcan en las vigas antes que en las columnas. Los criterios de ductilidad deben tambin extenderse al dimensionamiento por corte, ya que en el concreto armado la falla por corte es de naturaleza frgil. Para lograr este objetivo, debe verificarse en el caso de una viga, que la suma de los momentos flectores extremos divididos por la luz sea menor que la capacidad resistente al corte de la viga.


a. Fallas relacionadas con la RESISTENCIA

Insuficiente resistencia a la cortante de entrepiso

Fallas en vigas y columnas

Fallas en muros de corte (placas)

Falla en vigas de acoplamiento

Fallas relacionadas con la DUCTILIDAD

Columnas colapsadas en edificios aporticados

Falla en nudos sin ductilidad adecuada

Insuficiencia de longitud de anclaje


Insuficiente resistencia al cortante de los entrepisos

Se produce por insuficiente resistencia a carga lateral de los elementos verticales de soporte: placas y columnas.

Muy peligrosa porque puede conducir al colapso total de la edificacin.

Sismo Hait 12/01/2010 (M = 7.0)

RESISTENCIA

RESISTENCIA

Av. Chapultepec. Sismo Mxico 19/09/1985

Edificio Televisa, Av. Chapultepec, Sismo Mxico 19/09/85

Sismo Bucarest, Rumana, Mar. 1977 (M = 7.2)

Falla en vigas:

Grietas diagonales Cortante

Rotura de estribos Cortante

Grietas verticales Flexin

Rotura del refuerzo Flexin

Aplastamiento del concreto Flexin

Falla por flexin en viga (mala evaluacin de las cargas actuantes)

Falla por cortante en viga

Falla por corte (traccin diagonal) en vigas

Falla en Columnas: Grietas diagonales Cortante Grietas verticales Compresin Desprendimiento del concreto Compresin Aplastamiento del concreto y pandeo de las barras

de refuerzo Flexocompresin

Falla por compresin en columna

Efecto combinado de carga axial y momento flector sobre columna sin y con refuerzo transversal

Falla frgil de cortante o traccin diagonal en columnas o vigas, por insuficiente confinamiento de estribos en los extremos adyacentes a los nudos. (Ante el inadecuado confinamiento de estribos, estos se abren y el concreto estalla, seguido del pandeo lateral del refuerzo longitudinal)

Falla por compresin en columna con estribos muy separados

Columnas colapsadas en edificios aporticados

(Caso de vigas ms resistentes que las columnas, las rtulas plsticas se forman en las columnas antes que en las vigas, originndose mecanismos de falla)

DUCTILIDAD

Resistencia a flexin de las columnas, en las caras de los nudos

Generacin de rtula plstica en viga

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Por que se suicido el libro de matemticas? Porque tenia demasiados problemas. Que le dijo un vector a otro? Oye, tienes un momento? Quin invent las fracciones? Enrique Octavo. Que es un nio complejo? Uno con la madre real y el padre imaginario. De que curso de matemticas se habla siempre en voz baja, y solo entre amigos o personas de la mayor confianza ? Matemticas discretas. Dios es real, a menos que sea declarado entero.

3. HIPERESTATICIDAD Y MONOLITISMO

Como concepto general de diseo sismo-resistente, debe indicarse la conveniencia de que las estructuras tengan una disposicin hiperesttica; ello logra una mayor capacidad resistente. En el diseo de estructuras donde el sistema de resistencia ssmica no sea hiperesttico, en necesario tener en cuenta el efecto adverso que implicara la falla de uno de los elementos o conexiones en la estabilidad de la estructura.


4. UNIFORMIDAD Y CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA

La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevacin, con elementos que no cambien bruscamente su rigidez, para evitar la concentracin de esfuerzos.


Discontinuidad de columna en obra

Efecto de piso blando Muros o placas que se eliminan en el primer piso, concentrando demandas de ductilidad excesivas para las columnas del primer piso, dado el comportamiento de slido rgido de las placas superiores

Colapso de pisos blandos intermedios(Sismo de Kobe, 1995)

CHOQUE ENTRE EDIFICIOS Si no existe suficiente separacin ssmica entre edificios adyacentes, su manera distinta de vibrar ante la solicitacin ssmica puede producir el choque entre ellos. Esto es ms peligroso cuando los edificios adyacentes no coinciden en sus alturas de entrepiso.

5. RIGIDEZ LATERAL Para que una estructura pueda resistir fuerzas horizontales sin tener deformaciones importantes, ser necesario proveerla de elementos estructurales que aporten rigidez lateral en sus direcciones principales. Las estructuras flexibles tienen la ventaja de ser ms fciles de analizar y de alcanzar la ductilidad deseada. Sus desventajas son: que el prtico flexible tiene dificultades en el proceso

constructivo ya que puede existir gran congestionamiento de acero en los nudos, que los elementos no estructurales pueden invalidar el anlisis

ya que al ser difciles de separar completamente de la estructura es posible que introduzcan una distribucin diferente de esfuerzos y que las deformaciones son significativas siendo a menudo excesivas.


Edificaciones con insuficiente rigidez lateral en la direccin

transversal

6. EXISTENCIA DE LOSAS QUE PERMITEN CONSIDERAR A LA ESTRUCTURA COMO UNA UNIDAD ( Diafragma rgido )

En los anlisis es usual considerar como hiptesis bsica la existencia de una losa rgida en su plano, que permite la idealizacin de la estructura como una unidad, donde las fuerzas horizontales aplicadas pueden distribuirse en las columnas y placas de acuerdo a su rigidez lateral, manteniendo todas una misma deformacin lateral para un determinado nivel. Debe tenerse especial cuidado en las reducciones de planta con zonas tipo puente. Las estructuras alargadas en planta tienen mayor posibilidad de sufrir diferentes movimientos ssmicos aplicados en sus extremos, situacin que puede producir resultados indeseables. Una solucin a este problema es independizar el edificio en dos o ms secciones, mediante juntas de separacin ssmica, que deben ser debidamente detallada y construidas para evitar el choque de dos edificaciones vecinas.


Debe preferirse edificaciones con diafragma rgido y continuo, es decir, edificaciones en los que las losas de piso, el techo y la cimentacin, acten como elementos que integran a los muros portantes y compatibilicen sus desplazamientos laterales.

Diafragma rgido discontinuo Diafragma rgido continuo

El diafragma rgido es una lmina que no se deforma axialmente ni se flexiona ante cargas contenidas en su plano. Los techos metlicos o de madera no constituyen diafragmas rgidos y tampoco arriostran horizontalmente a los muros, en ellos es indispensable el empleo de vigas soleras que amarren a todos los muros, diseadas para absorber las acciones ssmicas perpendiculares al plano de la albailera (armada o confinada), slo se permite diafragmas flexibles en el ltimo nivel.

Los diafragmas deben distribuir la carga de gravedad sobre todos los muros que componen a la edificacin, con los objetivos principales de incrementarles su ductilidad y su resistencia al corte, en consecuencia, es recomendable el uso de losas macizas o aligeradas armadas en dos direcciones. Es posible el uso de losas unidireccionales siempre y cuando los esfuerzos axiales en los muros no excedan del valor indicado en el Artculo 19

LOSA DE CONCRETO ARMADO

Fallas relacionadas con la HIPTESIS DE DIAFRAGMA RGIDO Aberturas grandes en las losas de piso Formas rectangulares muy alargadas

Acerca de la Hiptesis de Diafragma Rgido Permitir que la losa pueda considerarse rgida en su

plano para poder distribuir las fuerzas horizontales de acuerdo a la rigidez lateral de los elementos verticales (placas y columnas).

Evitar grandes aberturas, reducciones en planta, formas alargadas en planta, formas T, L H.

Posibles soluciones para plantas muy alargadas o con aberturas importantes:

7. ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES

Otro aspecto que debe ser tomado en cuenta en una estructuracin es la influencia de los elementos secundarios. Si la estructura est conformada bsicamente por prticos, con abundancia de tabiquera, esta no se podr despreciar en el anlisis, pues su rigidez ser apreciable. Si la estructura es rgida, estando conformada por muros de concreto (placas) y prticos es probable que la rigidez de los tabiques de ladrillo sea pequea en comparacin con la de los elementos de concreto armado; en estos casos, despreciar en el anlisis los tabiques no ser tan importante.


Fallas relacionadas con la PARTICIPACIN DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES

Daos en tabiquerab Columna corta

Acerca de la participacin de elementos NO estructurales Independizar los tabiques de albailera (sobre todo en estructuras flexibles) Analizar la posibilidad de generar columnas cortas Considerar la participacin de los muros portantes de albailera confinada como muros de corte (sobre todo en estructuras conformadas exclusivamente por prticos)

Daos en tabiquera de ladrillo, vidrios, cornisas y parapetos (Por tener estructuras muy flexibles, con poca rigidez lateral y sin detallado especial) (En realidad NO se trata de una falla estructural, pero causa problemas de esttica y alarma a los residentes del edificio)

Colapso total de tabiques divisorios

Falla de tabique por ausencia de independizacin pudo generarse tambin columna corta

Aislamiento adecuado de alfizares

Deformacin de columna corta confinada parcialmente por muros

Solucin al problema de columna corta en centros educativos: independizacinde tabiques y uso de columnas estructurales ms rgidas

8. SUB - ESTRUCTURA O CIMENTACION

La regla bsica respecto a la resistencia ssmica de la sub-estructura es que se debe obtener una accin integral de la misma durante un sismo; adems de las cargas verticales que actan, los siguiente factores debern considerarse respecto al diseo de la cimentacin:

a) Transmisin del corte basal de estructura al suelo. b) Provisin para los momentos volcantes. c) Posibilidad de los movimientos diferenciales de los elementos de la

cimentacin. d) Licuefaccin de suelos.

Otro aspecto que debe considerarse en el anlisis estructural es la posibilidad de giro de la cimentacin; normalmente los ingenieros estn acostumbrados a considerar un empotramiento en la base de las columnas y muros, lo cual no es cierto en la mayora de los casos.


El suelo debe ser compatible con el tipo de cimentacin empleado. As por ejemplo, un suelo blando puede no ser compatible con cimentaciones superficiales aisladas convencionales y un suelo rgido no requiere de cimentaciones profundas. As mismo, existen taludes que pueden fallar como un conjunto, por lo que es necesario determinar la superficie de falla para garantizar que la cimentacin se realice con la profundidad adecuada.

1. Eleccin del sistema estructural ALBAILERA O A PORTICADO O MIXTO (muros y sistema de pisos)

2. Definicin de la forma y de la cantidad, continuidad y distribucin de los elementos que forman el sistema estructural en planta y en altura Configuracin y estructuracin.

Simplicidad Y Simetra.

Resistencia Y Ductilidad

Hiperestaticidad Y Monolitismo.

Uniformidad Y Continuidad De La Estructura

Rigidez Lateral

Diafragma Rgida

Elementos No Estructurales

Sub Estructura O Cimentacin.


Qu es la ingeniera estructural ? LA INGENIERIA ESTRUCTURAL ES El ARTE DE USAR

MATERIALES Con Propiedades fsicas que nicamente pueden ser

estimadas PARA CONSTRUIR ESTRUCTURAS REALES

Que nicamente pueden ser analizadas en forma aproximada PARA SOPORTAR FUERZAS

Que no se pueden determinar y conocer con exactitud

1. Un Ingeniero no es que sea prepotente, es que est rodeado de intiles.

2. Un Ingeniero no tiene el ego muy Grande, es que el cuarto es muy chiquito.

3. No es que quieran tener la razn siempre, es que los otros siempre se equivocan.

predimecionamiento y estructuracion una puno

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