Fundamentos de ingeniería estructural para estudiantes de arquitectura

Rafael Riddell Carvajal, Pedro Hidalgo Oyanedel

• Editorial: Ediciones UC
• Año: 2018
• ISBN del libro electrónico:
  9789561426191
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería general

Este libro entrega una visión global del problema del análisis y diseño estructural para estudiantes de Arquitectura. Su enfoque es esencialmente conceptual, desarrollado en una secuencia lógica basada en principios fundamentales de la física y la mecánica estructural, a fin de dar al estudiante una base racional sólida que le permita comprender cómo funcionan las estructuras, sobre todo desde el punto de vista sísmico.El propósito primordial de esta enseñanza en la carrera de Arquitectura es que los futuros profesionales desarrollen sus obras con un esqueleto resistente sano y que además comprendan que las características y el comportamiento de las estructuras pueden quedar determinadas por el proyecto arquitectónico.

III.

RESISTENCIA DE MATERIALES Y DISEÑO ESTRUCTURAL

3.1 Introducción

El objetivo del diseño estructural es proveer una estructura segura y económica para satisfacer una necesidad específica: vivienda, hospital, infraestructura de transporte, o una planta industrial, entre infinitos ejemplos. Por seguridad se entiende la capacidad resistente de la estructura para servir sin fallas durante su vida útil. El aspecto económico interviene porque siempre puede haber soluciones alternativas, y para cada una de ellas hay un óptimo de costo mínimo, al que se procura llegar.

En su concepción más amplia el proceso de diseño estructural consta de tres etapas:

• Estructuración

• Análisis

• Dimensionamiento

La estructuración comprende la definición de la forma, o tipo estructural, incluyendo el material a usar. Por ejemplo, un edificio de hormigón armado se puede estructurar en base a marcos, en base a muros, o a una combinación de ambos; en cada uno de estos casos hay que optar entre alternativas, por ejemplo, en el caso de estructura de marcos habrá que definir cuántas columnas tendrá cada plano resistente, es decir, el espaciamiento entre ellas. En el caso de un puente, puede estructurarse como un reticulado de acero, un arco de hormigón armado, una losa sobre vigas de hormigón pretensado, una losa sobre vigas de acero o una infinidad de alternativas que dependen principalmente de la luz a cubrir. En todo caso, la estructuración que prevalecerá en definitiva será aquella que, satisfaciendo todas las condiciones de seguridad y funcionalidad de la obra, tenga el mínimo costo.

El análisis comprende la modelación de la estructura y el cálculo de deformaciones y esfuerzos internos de sus elementos. Hasta este punto, en este texto, todos los esfuerzos se han concentrado en establecer conceptos sólidos de análisis a través del estudio de la estática y de las estructuras estáticamente determinadas. Estos conceptos son suficientes para abordar la tercera etapa, que es el objetivo de este Capítulo, aunque posteriormente se profundizará en aspectos de análisis de estructuras estáticamente indeterminadas, esenciales para la comprensión del comportamiento sísmico y los conceptos de diseño sismorresistente de estructuras.

El dimensionamiento, comúnmente llamado también “diseño” de los elementos, requiere la consideración de los esfuerzos internos a que está sometido el elemento, del comportamiento del elemento frente a tal solicitación, en lo que obviamente incide el material a usar, y del nivel de seguridad que es razonable adoptar. Las propiedades de los materiales y su capacidad para resistir esfuerzos son temas que comprende la disciplina de la Resistencia de Materiales que menciona el título de este Capítulo. Por otra parte, cabe destacar que el diseño no es exclusivamente un problema de resistencia, ya que con frecuencia pueden controlar las condiciones de serviciabilidad, por ejemplo, la limitación de deformaciones para el adecuado funcionamiento o prestación de servicio de un elemento.

El aspecto seguridad se abordará a lo largo de este Capítulo y también posteriormente. A nivel introductorio, en términos muy generales, puede decirse que se entiende por seguridad el evitar que la estructura o elemento alcance o sobrepase un estado límite hasta el cual se considera que el comportamiento de la estructura es aceptable. Tal estado límite es el de falla o colapso de un elemento o de la estructura completa. Para establecer una medida cuantitativa de la seguridad se introduce el concepto de factor de seguridad cuya evaluación requiere comparar la “demanda” de resistencia (solicitación o carga) con la capacidad “suministrada” a la estructura (su resistencia máxima).

La concepción más simplista del factor de seguridad puede ilustrarse con el siguiente ejemplo: el cable de una grúa debe ser capaz de resistir una carga de 3 toneladas, y se ha seleccionado un cable de acero de calidad y sección tal que su resistencia nominal de rotura es de 5 toneladas. Decimos entonces que el factor de seguridad (FS) a la rotura del cable es:

El hipotético problema anterior nos induce de inmediato a pensar que si existiera certeza de que la carga máxima no excederá de 3 toneladas, bastaría con una resistencia levemente superior para evitar la rotura, y por tanto se podría usar un cable más económico. Sin embargo, en la realidad hay incertidumbre respecto al valor preciso de la carga que el operador puede ser requerido de alzar, como también respecto de la resistencia última real del cable utilizado en esa grúa en particular. En rigor se trata de un problema probabilístico, ya que tanto la solicitación como la capacidad resistente son variables aleatorias.

Por ello el diseño se apoya en normas. Las normas establecen requisitos mínimos que deben cumplirse, los que han resultado de conjugar antecedentes provenientes de tres fuentes: estudios teóricos, evidencia experimental, y la experiencia. Los estudios teóricos ofrecen modelos analíticos para el tratamiento de los fenómenos físicos y aportan resultados de los casos típicos de interés. Los estudios experimentales permiten abordar problemas muy complejos de modelar y analizar teóricamente, y recolectar datos básicos como las propiedades de los materiales. La experiencia aporta el conocimiento de la práctica profesional y de la industria, en cuanto a lo que ha dado buenos o malos resultados en el pasado.

Hay dos tipos de normas claves para el diseño. Las normas de cargas que especifican las solicitaciones a utilizar para condiciones de viento, nieve, sismo, sobrecargas de uso, entre otras; ello es muy útil porque entregan los valores a usar en los casos más comunes, evitando al calculista estudiar individualmente un tema de por sí complejo por la incertidumbre de las cargas. Las normas de diseño de los materiales (acero, madera, hormigón, albañilería) entregan los requisitos mínimos que deben cumplirse en el diseño. Las normas mencionadas son bastante extensas porque cubren un sinnúmero de aspectos de detalle. La presentación y discusión de aspectos normativos se aleja considerablemente del objetivo de este texto, que es enfatizar en los conceptos básicos del dimensionamiento de elementos estructurales. Por ello, sólo se recapitulará sobre el tema al final de este Capítulo, después de haber introducido al lector al diseño estructural.

3.2 Elementos Sometidos a Carga Axial

3.2.1 Concepto de Tensión Unitaria

En la medida que se progresa en el proceso de diseño es necesario ir concentrando la atención en zonas cada vez más puntuales de la estructura. Desde el análisis del equilibrio estático global iniciado en el Capítulo 1, se llegó al final del Capítulo 2 a la evaluación de esfuerzos internos en secciones a lo largo de los elementos de la estructura. Ahora, para dimensionar una sección es necesario saber que ocurre en cada punto de ella, pues habrá que comparar la solicitación en el punto más crítico de la sección con la resistencia del material que la constituye.

La necesidad de analizar el esfuerzo que realiza el material en cada punto se hace evidente si se piensa en dos elementos distintos y se desea saber en cuál de ellos el material está trabajando más intensamente. Para ello se introduce el concepto de tensión, que corresponde a la fuerza que se transmite por unidad de área de la sección. En el caso de elementos sometidos a esfuerzo normal (axial) únicamente, tema de esta ...

Índice

• Portada
• Título
• Derechos de autor
• ÍNDICE
• I.  ESTÁTICA
• II. ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS ISOSTÁTICAS
• III. RESISTENCIA DE MATERIALES Y DISEÑO ESTRUCTURAL
• IV. COMPLEMENTOS DE ANÁLISIS Y COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
• V. NOCIONES DE SISMOLOGÍA
• VI. RESPUESTA SÍSMICA DE SISTEMAS DE UN GRADO DE LIBERTAD
• VII. RESPUESTA SÍSMICA DE SISTEMAS DE VARIOS GRADOS DE LIBERTAD
• VIII. ESTRUCTURACIÓN Y DISEÑO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS
• APÉNDICE A
• ÍNDICE TEMÁTICO
• BIBLIOGRAFÍA