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En todas las grandes obras las estructuras son fundamentales
- FUNCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS
- FORMAS GENERALES DE LAS ESTRUCTURAS
 1.
FUNCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS
Las estructuras son elementos constructivos cuya misión fundamental
es la de soportar un conjunto de cargas, que podemos clasificar como
sigue:
1- Peso propio
2- Cargas de funcionalidad
3- Acciones exteriores varias
En el apartado 1 de peso propio incluiremos las cargas de la estructura
que son especialmente significativas en las estructuras de hormigón
armado y las cargas reológicas, que provienen del proceso de
fraguado del hormigón.
En el apartado 2 incluiremos las cargas que actúan sobre la
construcción de la que forma parte la estructura en cuestión,
por ejemplo los objetos y personas que van a estar en la construcción.
En el apartado 3 nos referimos a la temperatura (dilatación-contracción),
el viento, la nieve, sismos, etc.
Vemos que las cargas que pueden actuar sobre una estructura son muy
variadas y pueden darse una serie de combinaciones entre ellas, debiendo
la estructura soportar la combinación más desfavorable.
Hemos utilizado anteriormente la palabra soportar, pero en teoría
de estructuras, en el contexto que se ha utilizado en la frase, el
sentido de tal palabra hace referencia a tres aspectos:
1- Estabilidad
2- Resistencia
3- Deformación limitada
Vamos a comentar, de una forma muy general los aspectos anteriormente
enunciados. Así:
La estabilidad de una estructura es la que garantiza que dicha estructura,
entendida en su conjunto como un sólido rígido, cumple
las condiciones de la estática, al ser solicitada por las acciones
exteriores que pueden actuar sobre ella. La resistencia es la que obliga
a que no se superen las tensiones admisibles del material y a que no
se produzca rotura en ninguna sección. La deformación
limitada implica el que se mantenga acotada (dentro de unos límites)
la deformación que van a producir las cargas al actuar sobre
la estructura. Estos límites van marcados por la utilización
de la estructura, razones constructivas y otras.
2. FORMAS GENERALES DE LAS ESTRUCTURAS
Hablamos de estructuras planas cuando todas las barras que
la forman y las cargas que actúan sobre la misma se encuentran
en un mismo plano. Hablamos de estructuras superficiales cuando la estructura
presenta una forma marcadamente superficial y las cargas que actúan
sobre dicha estructura no se encuentran contenidas en dicha superficie.
Hablamos de estructuras espaciales cuando las barras que forman la estructura,
así como las cargas que actúan sobre la misma, ocupan
cualquier posición en el espacio.
2.1. GRÁFICO (
Pulse sobre la imagen para ampliar)
Comentarios:
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Los elementos estructurales fundamentales son :
- Las vigas de directriz recta, que trabajan fundamentalmente
a flexión
- Los pilares, que trabajan fundamentalmente a compresión.
Es importante no perder de vista la importancia que tienen otros
dos elementos:
- La cimentación
- El terreno, ya que si fallan por algún motivo no se
consigue el objetivo final de una estructura que es fundamentalmente:
traspasar las cargas de la construcción, de la que forma
parte, al terreno.
Una tipología de viga muy frecuente es :
- La viga continua.
Consta de unos apoyos intermedios.
Los espacios entre pilares los denominamos vanos, que pueden
ser:
- Extremos
- Intermedios
- Central.
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Los arcos: Los elementos estructurales
que sirven para salvar los vanos frecuentemente son de eje recto,
pero también pueden serlo de eje curvo.
Una tipología característica es el arco de tres articulaciones.
Para las denominaciones de las estructuras utilizamos determinados
aspectos significativos, como por ejemplo:
- La forma fundamental, por ejemplo: arco
- Los apoyos, por ejemplo: empotramiento, articulación
fija,...
- El tipo de nudos, por ejemplo: rígido, articulado
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Existen una serie de tipologías estructurales muy comunes:
- Los pórticos, generalmente de nudos rígidos,
característicos por ejemplo de las estructuras principales
de las naves industriales.
- Las cerchas, generalmente de nudos articulados, característicos
por ejemplo de ciertas estructuras de cubierta, en construcción
industrial fundamentalmente.
- Los marcos, que se utilizan por ejemplo en entramados laterales
En construcción arquitectónica son muy comunes
los pórticos múltiples de varios vanos y alturas.
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2.2. GRÁFICO
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Otras veces las estructuras presentan formas superficiales o
volumétricas.
Denominamos estructuras espaciales a aquellas en que las barras,
.... y cargas que actúan presentan cualquier posición
en el espacio
Su cálculo implica la utilización de procedimientos
específicos. |
2.3. GRÁFICO :
Comentarios:
Una de las tipologías estructurales más sencilla es
la viga armada. La viga armada se utiliza para pequeñas estructuras
y generalmente en la tipología de armadura inferior, para que
con el estado de cargas habitual trabajen a tracción los elementos
que componen la armadura de la viga.
En tales casos es frecuente la utilización de cables.
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En la fig.1 podemos ver una viga armada superiormente
mediante lo que se denomina como:
Péndola: elemento vertical
Tornapuntas: formando lo que podemos denominar como cordón
superior. |
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En la fig.2 podemos ver una viga armada inferior,
mediante sopanda y jabalcón. Se utiliza como estructura
de apoyo para vigas en mal estado, rehabilitación, patología,
... |
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En las figs. 3 y 4 podemos ver una viga armada inferiormente,
mediante mangueta y tirantes. |
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En las figs. 5, 6 y 7 podemos ver una tipología
de viga armada inferior que se denomina FINK respectivamente simple,
doble y múltiple, haciendose cada vez más compleja
su forma. |
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En la fig. 8 una tipología de viga armada
inferior que se denomina BOLLMAN, que presenta una forma un tanto
compleja, pensada para la utilización de cables, en los
tirantes. |
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En la fig. 9 una tipología de viga armada
inferior que se denomina PRATT. |
Es una forma estructural que se adapta a mayores luces y solicitaciones
que las anteriores, pudiendo utilizarse para pasarelas y pequeños
puentes.
2.4. GRÁFICO : (
Pulse sobre la imagen para ampliar)
Comentarios:
Una de las tipologías estructurales más frecuentes
es la viga de celosía Son muy frecuentes especialmente en construcción
industrial para resolver luces apreciables y pórticos mixtos.
Presentan una buena relación peso-resistencia en relación
con las vigas de alma llena, pero ciertos inconvenientes constructivos.
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En la fig. 1 podemos ver una tipología muy
frecuente que se denomina WARREN. |
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En las figs. 2, 3 y 4 se mantiene la malla propia
de la warren pero se le añaden montantes en nudos inferiores,
superiores e inferiores y superiores, respectivamente. |
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En la fig. 5 podemos ver una viga de celosía
de malla tipo PRATT |
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En las figs.6 y 14 podemos ver una viga de celosía
de malla tipo HOWE, de número de tramos par e impar respectivamente. |
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En las figs. 7, 8 y 9 podemos ver vigas de celosía
de mallas más complejas formadas mediante combinación
de mallas warren (7,9) y pratt (8).
La complejidad de las formas obliga por razones constructivas
a un uso más restrictivo. |
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En la fig. 10 podemos ver una tipología de
marcos con cruz de san andrés, adecuada para estructuras
de entramados laterales en construcción industrial. |
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En la fig. 11 podemos ver una tipología característica
e interesante: la viga en K, adecuada para mejorar el comportamiento
de las diagonales a compresión, que suelen ser barras críticas. |
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En la fig. 12 podemos ver una viga con cordón
inferior poligonal. La malla es del tipo Howe, pudiendo ser otra,
adecuada a las cargas que van a actuar sobre la viga. |
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En la fig. 13 podemos ver una tipología que se denomina
como viga VIERENDEEL .
La viga vierendeel es necesariamente de nudos rígidos,
ya que no es una malla triangulada.
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2.5. GRÁFICO
:
Comentarios:
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Estructuras de barras articuladas para cubiertas, en los tipos
: a dos aguas, shed y marquesinas. Vamos a describir gráficamente
una de las tipologías estructurales más clásicas,
debido en gran parte a la sencillez del cálculo de los
axiles en barras, mediante los métodos :
Método de los nudos (Analítico)
Método de Cremona (Gráfico)
Para el cálculo de los desplazamientos en sus nudos ó
para el caso de vinculación exterior hiperestática,
tenemos que utilizar procedimientos más complejos. Actualmente
su utilización se está reduciendo por diversas razones
: económicas, constructivas y otras.
En las figs. 1 a 12 se recogen diferentes armaduras propias
de cubiertas a dos aguas, con diferentes características
y utilizaciones.
Para luces más pequeñas se utilizan las siguientes:
cercha simple (figs.1 y 2),
la cercha española (fig.3) , la cercha suiza (fig. 10)
y la cercha alemana (fig.11) Para mayores luces se utilizan diferentes
soluciones de malla como son:
inglesa (fig.4), americana (fig.5), belga (fig.6) que es una de
las más utilizadas, polonceau simple (fig.7), polonceau
doble (fig. 8), fink (fig.9) y pratt (fig.12). |
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En las figs. 13 a 16 se recogen diferentes armaduras propias tanto de
cubiertas a un agua como de cubiertas tipo shed. Las cubiertas tipo
shed son un clásico de la construcción industrial, ya
que con una orientación adecuada, facilitan la recogida de aguas
y la iluminación natural de una nave industrial de amplias dimensiones.
Actualmente su utilización está decreciendo por razones
similares a las antes expuestas.
Las podemos denominar en base a la malla que utilizan y que sería
inglesa (fig.13), belga (fig.14), polonceau (fig.15).
Cuando tenemos que realizar una cubierta tipo shed múltiple
con apoyos en los extremos, una de las posibilidades de diseño
estructural más frecuente es la de añadir una barra
uniendo los diferentes vértices de cada cuchillo, como vemos
en la fig.16.
En las figs. 17,18 y 19 se recogen diferentes armaduras propias de las
marquesinas. Las marquesinas son estructuras que se han utilizado frecuentemente
como cubiertas auxiliares.
Se encuentran soportadas en un extremo y constituyen una estructura
con forma general de voladizo.
Las podemos describir en base a sus características más
significativas como el tipo de malla o el cordón inferior.
Esta última característica, en las figuras que se refieren
es:
recto (fig.17) o quebrado (figs.18 y 19).
2.6. GRÁFICO :
Comentarios:
Estructuras de barras articuladas para cubiertas de grandes luces.
Las formas estructurales anteriores (Apdo. 2.5.) pueden ser utilizadas
en pequeñas y moderadas luces. En este apartado nos referimos
a las formas más adecuadas para las cubiertas de grandes luces.
En las figs.1, 2, 3, 4 y 5 podemos ver una forma general de armadura
simple con peralte (fig.1), con cordón inferior recto (figs.
3, 4 y 5) o quebrado (fig. 2) en la que las barras del cordón
superior se han sustituido por vigas de celosía de diferentes
tipos de malla.
En las figs. 6, 7 y 8 podemos ver una forma clásica de cubierta
a dos aguas con diferentes mallas, generalmente la belga y la inglesa.
En las figs. 9, 10, 11 y 12 vemos la utilización del arco
en diferentes posiciones:
en el cordón inferior (figs.9 y 11), en el cordón superior
(fig.10) y tanto en el cordón inferior como en el superior
(fig. 12)
2.7. GRÁFICO :
Comentarios:
Estructuras de cubierta con voladizos En este conjunto
de gráficos representamos una serie de soluciones para utilizar
los voladizos con las siguientes finalidades:
- Aumentar la superficie de cubierta
- Disminuir las luces entre pilares
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En la fig.1 podemos ver que el cordón inferior
se mantiene recto mientras que se produce un cambio de dirección
en el cordón superior. |
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| En las figs. 2, 3, 4, 5 y 6 el cordón inferior
adopta la forma de una línea quebrada, quedando rectos
los tramos correspondientes al voladizo. |
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Las formas que se representan en las figs. 7,8
y 9 se corresponden con luces mayores y se pueden utilizar diferentes
mallas como por ejemplo americana y belga. También es de
resaltar la utilización del arco en el cordón inferior
como forma de transmitir las cargas a los apoyos (fig.9) y la
inversión en la forma del mallado al llegar al voladizo. |
2.8. GRÁFICO :
Comentarios:
Formas generales de estructuras porticadas y marcos, formados con barras
de nudos rígidos. La utilización de los pórticos
es cada vez más usual en la construcción industrial metálica
por diferentes razones:
- La mejora en los procedimientos de cálculo, más
complejos que para las estructuras de nudos articulados.
- La utilización de PVS para la optimización de los
mismos, así como el empleo de tornillos de alta resistencia.
Reflejamos en el gráfico correspondiente una serie de formas
que nos permiten recorrer con detalle la descripción de esta
importante tipología estructural que constituye frecuentemente
la estructura principal de las naves industriales.
En las figs.1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 13 y 14 podemos ver un pórtico
simple con apoyos articulados (figs.1,3,5 y 6) o empotrados (figs.2
y 4), sin pendiente (figs. 1 y 2), a dos aguas (figs. 3,4,5 y 6) y
con tirantes (figs. 5 y 6), con utilización de arcos en vez
de vigas de eje recto (figs. 13 y 14) para mejorar el comportamiento
del pórtico en diferentes sentidos y en base a las cargas que
actúen sobre dicha estructura.
Deberemos por tanto analizar las ventajas e inconvenientes que presentan
las diferentes tipologías de arcos simples de forma que diseñemos
tales estructuras adaptándonos a las necesidades de cada caso.
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En las figs.7 y 19 podemos ver un pórtico múltiple,
con una sola altura o con varias alturas.
El elevado grado de hiperestaticidad de los pórticos
múltiples le confiere interesantes características
resistentes, como elemento estructural fiable que debe garantizar
la estabilidad de la construcción a la que pertenece:
- En su conjunto
- Parcialmente
- Durante su funcionamiento normal
- Durante su ejecución
- Frente a patologías
La dificultad de su cálculo por métodos manuales
se redujo considerablemente con el método de Cross y posteriormente
la utilización de procedimientos de cálculo por
ordenador ha facilitado su utilización. |
| En las figs. 8 y 9 podemos ver un semipórtico
que es una estructura en la que un extremo de una viga no se apoya
en un pilar. |
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En las figs. 16, 17 y 18 vemos lo que denominamos como marcos que
presentan formas cuadradas, representativas en entramados laterales,
que suelen presentar apoyos articulados.
Se han representado otras formas poligonales en las figs. 10, 11 y
12, que no precisan comentario específico aparte del de su
escasa utilización.
2.9. GRÁFICO :
Comentarios:
Otras tipologías de pórticos utilizando PVS
y pilares y vigas de celosía.
La importancia de los pórticos en la construcción industrial
y el interés por optimizar su diseño, ampliar las luces
que pueden utilizarse,etc. ha llevado a un conjunto de tipologías
que reflejamos en este apartado.
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En las figs. 1 y 3 podemos ver el empleo de perfiles
de alma llena en sección variable (PVS), adaptándose
a las solicitaciones que se producen en las diferentes secciones
de las barras. |
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En las figs. 2, 4, 5 y 6 podemos ver tipologías
en las que las vigas y los pilares se han formado mediante estructuras
de barras de disposición triangular, de forma que puedan
ser calculados como una estructura constituida por barras articuladas. |
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Destacamos la conveniencia de utilizar como apoyos
de los pilares las articulaciones fijas, en esta tipología,
para que las barras trabajen a axiles. En la fig. 7 se recoge
una tipología de pórtico mixto con forma de arco
constituido mediante una malla de barras triangulada, un tirante
y apoyado en pilares metalicos rígidos con apoyos mediante
empotramiento, es decir una estructura con barras a axiles en
cubierta y sometida a axiles, cortantes y flectores en pilares.
En la figura 8 se recoge una tipología de pórtico
con puente grúa característico de las naves industriales
para talleres.
Destacamos en esta tipología la conveniencia de utilizar
apoyos empotrados para estos pórticos.
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2.10. GRÁFICOS :
Comentarios:
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Tipologías características de estructuras para
puentes.
En las figs. 1, 2, 3, 4 y 5 se recogen estructuras tipo de puentes
sin apoyos intermedios, mientras que en las figs. 6, 7 y 8 el
apoyo del tablero se produce tanto en los extremos como en posición
intermedia.
Podemos ver en las figs. 1 y 3 la utilización de un tablero
de alma llena, mientras que en las figs. 2 y 4 puede verse un
tablero realizado estructuralmente mediante una celosía
de barras. En las figs. 1 y 2 el tablero se refuerza con una estructura
superior, de la que cuelga, que transmite los esfuerzos hacia
los apoyos. En las figs. 3 y 4 el tablero se refuerza con una
estructura de barras inferior sobre la que se apoya, transmitiendo
los esfuerzos en posición diferente a la de los apoyos
del tablero. La tipología de la fig.5 es del mismo tipo
que la que se puede ver en las figs. 3 y 4, pero realizada en
hormigón.
Puede realizarse también mediante hormigón armado
en el tablero y con vigas metálicas (tipo cajón)
en el arco inferior. |
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En las figs. 6 y 7 se recogen formas de puentes
colgantes, con tableros de alma llena (fig.6) y de celosía
(fig.7). En la fig. 8 se recoge una tipología con apoyos
intermedios que se denomina puente cantilever.
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