ESTRUCTURAS EN ACERO Y MIXTAS ACERO-CONCRETO.

El diseño de estructura es con el propósito de garantizar la seguridad, resistencia, ductilidad, cumpliendo un diseño racional y económico, los miembros que forman el conjunto se tomaran y dispondrán de forma que sean el resultado de la óptima solución debe el punto de vista de la eficiencia y la facilidad de montaje. La economía en la construcción depende no solo de la elección de los perfiles más livianos, sino de otros factores como el costo de la mano de obra en el talle y el montaje de las piezas en campo. El menor peso es solo uno de los factores de ahorro económico ya que el cálculo de las estructuras se materializa buscando el perfil más liviano optimo que se pueda implementar.

                En los proyectos existe diversidad de luces y de cargas, debida a las funciones, lo cual da lugar al uso de secciones diferentes, proponiendo un cálculo de forma aislada con el criterio de buscar el menor peso de los miembros, el resultado de toda esta diversidad de secciones exige mayor conexiones y empalmes lo cual redunda en una costosa mano de obra en soldadura y empernado o remachado, y prolonga la duración del proyecto, y con la consecuencia de car una impresión menos armónica en la estructura, con problemas de integridad estructural.

En los casos de diseño de luces es más factible elegir un grupo de luces similares generando cargas aproximadas y determinar la más desfavorable, partiendo de esta la elección del perfil más idóneo en estos casos se diseñan estructuras aporticadas.En esta forma la fachada de las edificaciones como su interior y distribución de los espacios es más armónica beneficiando el comportamiento de la estructura proporcionando mejor sentido estético.

Cuando los edificios son de gran altura se colocan las columnas en un único perfil, con la mayor altura posible sin cortar evitando en gran número los empalmes, no obstante cuando estos deban ejecutarse la conexión se ubicara en el tercio inferior con respecto a la cota del piso correspondientes, donde aproximadamente se localiza el punto de inflexión bajo solicitaciones impuestas. En los casos que la viga sea muy esbelta con almas delgadas que deban incrementar su resistencia con los rigidizadores de corte y soportes laterales, se puede cierta economía de mano de obra, al aumentar el espesor del alma, lo cual elimina los rigidizadores y sus cordones de soldadura.

En todas las estructuras la distribución de los elementos resistentes debe permitir que todas las cargas transmitidas a las cimentaciones se efectúen de la forma más directa para evitar trayectorias ondulantes que provocarían un comportamiento más complejo a la estructura y hasta impredecible en caso de un sismo. Una causa del sobreprecio de las estructuras es el transporte de los materiales de obra, los perfiles diseñados tienen grandes luces, y resulta complejo disponer del adecuado medio de transporte.

Clasificación de las estructuras.

• ·         El tipo de estructura.
• ·         El nivel de diseño.
• ·         Tipo de construcción.

En función de las exigencias previstas para diferentes etapas del proyecto. La ejecución, el montaje y la inspección.

Tipología de estructuras en acero.

Las estructuras en acero se clasifican en los tipos de estructuras, que cumplan con los requerimientos sismos resistentes, según esta referencia esta es la clasificación.

• ·         Tipo aporticadas.
• ·         Sistemas duales.
• ·         Sistemas arriostrados con diagonales concéntricas.
• ·         Sistemas arriostrados con diagonales excéntricas
• ·         Estructura tipo péndulo invertido.

Estructuras aporticadas.

               

Son pórticos rígidos o pórticos de momento, clasificados como el tipo I, capaces de resistir la totalidad de las acciones sísmicas y gravitacionales mediante deformaciones debidas a la flexión como principal solicitaciones en sus vigas y columnas, esta clasificación es condición obligatoria que los ejes de las columnas se mantengan continuos hasta las fundaciones. Los pórticos de este tipo deben ser de condición hiperestática de alto grado, de modo de evitar una respuesta inelástica y que tengan la ductilidad necesaria para soportar los desplazamientos laterales que le imponen las cargas del sismo, sin que afecte su capacidad portante para las cargas gravitacionales.

 Sistemas duales.

Estos sistemas correspondes a la clasificación del tipo II y resulta la combinación de estructuras tipo I y tipo III, teniendo el mismo nivel de diseño, estas estructuras deben estar conectadas de modo tal que se garantice la resistencia conjunta de las acciones gravitacionales y sísmicas, los pórticos debe estas en capacidad de soportar por si solos el 25% de las acciones sísmicas.

Sistemas arriostrados con diagonales concéntricas.

                Son las estructuras tipo III con arriostramiento concéntrico que se cruzan en su punto medio, formando cruce de san Andrés, en A o en V, como se indica en la figura, siendo en un mismo tramo o en tramos separados simétricamente ubicados. En este tipo de estructuras todos los miembros están solicitados principalmente a esfuerzos axiales, no permite los arriostraminentos en K que imponen flexiones en las columnas de los pórticos.

Sistemas arrisotrados con diagonales excéntricas.

Las diagonales con refuerzos excéntricos son las que vinculan a las vigas dúctiles conocidas como vigas eslabón, capaces de absorber y disipar la energía del sistema, y las vigas colectoras, las vigas eslabón o eslabones puede ubicarse en el centro de la viga entre dos conexiones de las diagonales o adyacentes a una columna, entre las conexión de la viga a la diagonal y lacara de la columna, estas entran en la tipología III.

Estructuras de péndulo invertido.

                Son las estructuras de tipo IV que están sustentadas por una única columna, una fila de columna o columnas que soportan grandes masas, estos sistemas tienen una baja capacidad de respuesta inelástica, las estructuras con diagramas muy flexibles, que no tiene capacidad de distribuir correctamente las fuerzas entre los diversos miembros verticales.

ESTRUCTURAS MIXTAS ACERO-CONCRETO.

                Adicionalmente a los tipos de estructuras de los sistemas materializados en acero como material único, también se implementan sistemas combinados o mixtos y estos poseen una clasificación según su metodología de construcción.

Tipo pórtico mixto acero-concreto.

                Son estructuras aporticadas del tipo I con la distinción que estas está compuesta por columnas de concreto armado y vigas de acero.

Sistemas arriostrados mixtos con diagonales concéntricas.

                Son estructuras tipo II aporticadas, similares a los sistemas arriostrados de acero con la diferencia que las columnas son de concreto armado y vigas de acero con diagonales de acero concéntricas.

Muros estructurales de concreto armado con miembros de borde de sección mixta.

                Este tipo de muros correspondes al tipo III ofreciendo gran rigidez en su plano por lo cual óptimo para proporcionar estabilidad lateral a los edificios de altura elevada, donde los miembros de borde son los núcleos de concreto confinados con un perfil en acero ahogado en la masa cementico isotrópico. 

Nivel de diseño.

El nivel de diseño de los miembros y conexiones de las estructuras contemplan tres niveles diferentes de fabricación, montaje, construcción e inspección que aseguren la calidad, resistencia, ductilidad y estabilidad de la edificación. El nivel de diseño en función de los materiales empleados (acero o mixtos acero-concreto), el uso de arriostramientos concéntricos o excéntricos incorporan rigidez a los diafragmas de piso que distribuyen las fuerzas sísmicas entre los diferentes miembros verticales.

El nivel de diseño asignado es único para cada estructura en particular limitando el uso de cada tipo de estructuras en zonas sísmicas, conocido el material, el tipo de estructura y el respectivo nivel e diseño se debe hallar el valor correspondiente al factor de reducción de respuesta R que es usa para el análisis de edificaciones en zonas sísmicas, para obtener las ordenadas del espectro de diseño. El nivel de diseño ND1 es el menos exigente, el ND2 resulta intermedio y el ND3 es el más severo de la normativa. En cada caso se exigen determinados requisitos para asegurar la capacidad de soportar las deformaciones inelásticas, permitiendo la ductilidad e integridad de la estructura.

Nivel de diseño 1

Este nivel de diseño aporticados deben ser capaces de soportar limitadas deformaciones inelásticas bajo cargas gravitacionales y sísmicas. Las conexiones viga-columna debes ser del tipo rígido o semirrígido realizados con pernos de alta resistencia o soldadura debe cumplir estos requerimientos.

• Juntas de viga columna todas las conexiones tienes que ser resistentes a fuerzas sísmicas con una capacidad de rotación de 0.001 radianes, los resultados experimentales consistirán en al menos dos ensayos bajo cargas cíclicas.
• La demanda por fuerza cortante en estas conexiones debe satisfacer la combinación de cargas (1,2p + y CV) más el corte debido a los momentos Mu en cada extremo de la viga.
• El nivel de diseño 1 se puede aplicar a los pórticos de acero arriostrados con diagonales concéntricas solamente para cubiertas y edificios de no más de dos entrepisos.
• Los arriostramientos tendrán una relación máxima de esbeltez de Kl/r < 6040/(Fy)^1/2 y su resistencia a la compresión axial no excederá de 0.8Φ Nt, si en el caso de que estos arriostramientos son perfiles angulares la relación anche espesor de sus la dos no excederá 436/(Fy)^1/2  

Nivel de diseño 2

En este nivel de diseño debe cumplir con todas las exigencias del ND1 ademas de ciertas condiciones adicionales;

• Las juntas de viga-columna y todas las conexiones deben resistir las fuerzas sísmicas y deben tener una capacidad de rotación minina de 0.02 radianes los resultados experimentales consistirán en menos de dos ensayos bajo cargas cíclicas.
• Las vigas y columnas deben cumplir con los valores límites de λ.
• Se deben colocar soportes laterales en los puntos de aplicación de las fuerzas concentradas, así como en todos los puntos donde el análisis indique que allí se formara una rotula plástica en el mecanismo de colapso bajo cargas gravitacionales y sísmicas, cuando exista un cambio de la sección transversal estos soportes laterales se colocaran a distancias no mayores 252000ry/Fy.
• Cuando el momento resistente de la viga este controlado por el pandeo local del ala la resistencia teórica mínima en flexión será de 0.8 Mp.
• Los arriostramientos laterales tendrán una capacidad resistente teórica a la carga axial que no exceda 0.8Φ Nt.

Nivel de diseño 3

Este nivel de diseño supone que la estructura puede soportar una significativa incursión en el dominio inelástico especialmente en las zonas donde se localizan las rotulas plásticas de las vigas, pero con limitadas deformaciones inelástica de las columnas y conexiones, el ND# exige cumplir con las condiciones de los niveles anteriores además de las que se indican a continuación.

• La capacidad de rotación inelástica no será menos que 0,03 radianes.
• Las vigas deben cumplir con las condiciones de λ, deben tener soportes laterales en las alas a distancias no mayores 176400ry/Fy.
• En el caso de pórticos con arriostramiento concéntricos se exige para estas secciones plásticas y esbeltas no mayor a Kl/r < 8370/(Fy)^1/2 además la capacidad resistente teórica de estos arriostramientos a carga axial no serán mayores a ΦNt.
• Los arriostramiento deben ser capaces de resistir en sus diagonales traccionadas entre un 30 y un 70% de la fuerza total horizontal debida al sismo o al viento.
• Las exigencias para los pórticos con vigas de celosía o cerchas limitaran sus dimensiones a longitudes entre columna no mayores a 20m y su altura máxima será de 1.8 m.