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Las cimentaciones fueron el Talón de Aquiles de los constructores medievales: algunas de las Catedrales Góticas se construyeron en suelos blandos con niveles freáticos altos, asentamientos que producían la distorsión de la planta, que aunque no se producía el colapso, se hacía necesario la intervención y su reforzamiento.
Debemos insistir en que la mayoría de los daños que se presentan en los edificios son causados por problemas en la cimentación. Solamente durante los últimos cincuenta años la mecánica de suelos y el estudio del comportamiento del suelo, han pasado de ser un arte para convertirse en una ciencia.
La Ciudad de México fue fundada por los aztecas y se encuentra asentada sobre una mezcla de suelos arenosos y agua, producto de la desecación del lago Texcoco. El Palacio de Bellas Artes en el centro de la ciudad, se construyó con enchape de piedra muy pesada; a los pocos años descendió y se asentó casi tres metros por lo que se hizo necesario construir escaleras de acceso. La gente se sorprendió cuando el Palacio comenzó a elevarse de nuevo requiriendo la construcción de escaleras para subir. Este extraño fenómeno puede explicarse por el gran número de edificios pesados y de gran altura construidos en las proximidades. La presión del agua bajo los edificios empujó el Teatro hacia arriba.
Los pocos ejemplos anteriores son una pequeña muestra sobre algunas patologías de edificaciones realizadas desde tiempos antiguos, pero que ilustran la estrecha relación con los procesos constructivos y el rango tan extenso de situaciones que se pueden presentar.
Diseño de Armaduras para Techo 4 Leonilo Santiago Hernández IV. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN En México los materiales más utilizados en la industria de la construcción para edificios de mediana altura y altos, son el concreto reforzado, acero estructural, la mampostería, y rara vez, la madera. 4.1 Concreto En los últimos años, el concreto reforzado a nivel mundial es cada vez mas competitivo; en Japón, Europa y estados unidos de América, se están construyendo actualmente muchos edificios con estructura de concreto con resistencia hasta de 800 kg/cm2, mientras que en México, la resistencia máxima del concreto en construcción urbana es de 300 kg/cm2. 4.1.1 Definición El concreto es un material pétreo, artificial, obtenido de la mezcla, en proporciones determinadas, de cemento, agregados y agua. El cemento y el agua forman una pasta que rodea a los agregados, constituyendo un material heterogéneo. Algunas veces se añaden ciertas sustancias, llamadas aditivos o adicionantes, que mejoran o modifican algunas propiedades del concreto. El concreto simple, sin refuerzo, es resistente a la compresión, pero débil en tensión, lo que limita su aplicabilidad como material estructural. Para resistir tensiones, se emplea refuerzo de acero, generalmente en forma de barras. La combinación de concreto simple con refuerzo constituye lo que se llama concreto reforzado. El concreto se fabrica en estado plástico, lo que obliga a utilizar moldes que los sostengan mientras adquiere resistencia suficiente para que la estructura sea autosoportante.
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4.1.2 Algunas ventajas y desventajas del concreto
Una de las ventajas es su moldeabilidad, esta propiedad da como consecuencia la libertad de elección de formas. Gracias a ella, es posible construir estructuras como los cascarones, que en otro material seria muy difícil de obtener. Otra característica es la facilidad con que puede lograrse la continuidad en la estructura. Aunque una de sus principales desventajas del concreto es el agrietamiento, que debe tenerse en cuenta al estudiar su comportamiento bajo condiciones de servicio.
4.1.3 Efecto de la relación agua/cemento
La cantidad de agua, con relación a la de cemento, es el factor más importante que interviene en la resistencia del concreto. La resistencia del concreto depende de la relación agua/cemento: a mayor relación agua/cemento, menor resistencia. Es importante que el concreto tenga la manejabilidad adecuada para tener la seguridad de que endurezca en los moldes sin la formación excesiva de huecos.
Para el curado del concreto es necesario que no se permita que el agua de la mezcla se evapore hasta que el concreto haya adquirido su resistencia. La temperatura también es un elemento importante en la rapidez con que el concreto aumente de resistencia, las bajas temperaturas disminuyen la rapidez del proceso. Las temperaturas iniciales elevadas producen un fraguado rápido y una pérdida permanente de potencial de resistencia.
4.2 Mampostería
Mampostería etimológicamente significa “puesto en mano”, y precisamente en eso consiste la esencia de este sistema para la construcción de muros. Los elementos de construcción son ladrillos, bloques, etc. Los elementos (mampuesto) podrán ser de cualquier material, como roca, bloque de yeso etc.
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Pared Pared Saliente Pared Tabique exterior Diseño de Armaduras para Techo
El bloque o unidad de mampostería de perforación vertical (Fig. 4.1), es un elemento prefabricado, de concreto, con forma de prisma recto y con un o más perforaciones verticales que superan el 25% de su área bruta (Fig. 4.2). Se elabora para elaborar mampostería (por lo general muros), y es responsable, en muy buena medida, de las características mecánicas y estéticas de dichas mampostería.
Cara superior Perforación vertical Extremo Pared Extremo
Cara inferior
Figura 4.1 Partes de una unidad de mampostería Tabique exterior
Ranura para mortero
Figura 4.2 Partes de un bloque de concreto de concreto
El bloque es la unidad por excelencia para la construcción de mamposterías estructurales.
El ladrillo o unidad de mampostería maciza, es un elemento prefabricado, de concreto, con forma de prisma recto, macizo o con perforaciones, generalmente verticales, que no superan el 25% de su área bruta. Se utiliza para elaborar mamposterías (por lo general muros de fachada), y es el responsable, en muy buena medida, de las características mecánicas y estéticas de dichas mamposterías.
No es frecuente ni practico construir mamposterías estructurales solamente con ladrillos de concreto, con la excepción de las mamposterías de cavidad reforzadas, pues el esfuerzo de los muros no se puede colocar por dentro los ladrillos. Sin embargo, se utilizan para la construcción de la cara posterior en muros dobles, como complemento de espesor en muros anchos y para ajustes. En mamposterías nos estructurales y arquitectónicas se utilizan para recubrimiento de fachadas, campo en el cual ofrece inmensas posibilidades.
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Diseño de Armaduras para Techo 7 Leonilo Santiago Hernández 4.2.1 Mampostería estructural La mampostería estructural es la unión de bloques o ladrillos de arcilla o de concreto con un mortero para conformar sistemas monolíticos tipo muro, que pueden resistir acciones producidas por las cargas de gravedad o las acciones de sismo o viento. 4.2.2 Tipos de mampostería La mampostería puede tener refuerzo de varillas y entonces se denominara mampostería reforzada, cuando las varillas se introducen por los huecos de los ladrillos y se anclan con concreto de relleno; y mampostería confinada, en la que el refuerzo se coloca en elementos de concreto (vigas y columnas), situados en la periferia del muro. 4.2.2.1 Mampostería reforzada Es la mampostería con refuerzo embebido con celdas rellenas, conformando un sistema monolítico. También tiene refuerzo horizontal a cierto número de hiladas. El refuerzo se utiliza para soportar tensión y ocasionalmente, para resistir los esfuerzos de compresión y cortante que no pueda soportar la mampostería simple. 4.2.2.2 Mampostería confinada Es la mampostería con refuerzo con elementos de concreto reforzado (vigas columnas de amarre), en su perímetro, vaciados después de construir el muro de mampostería simple. 4.2.3 Dimensiones de la mampostería Las dimensiones de una unidad de mampostería esta definidas por su espesor, su altura y su longitud. 4.2.4 Mortero El mortero es el elemento que une las unidades de mampostería a través de las juntas verticales y horizontales, en virtud de su capacidad de adherencia. Y los materiales para el mortero son: Agua, Cemento, Cal, Arena y Aditivos.
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4.3 Tierra
El termino suelo ha sido definida por legistas, agrónomos y geólogos. Entre las que mas interesan están las siguientes:
En agronomía, suelo es la capa superficial de la corteza terrestre que contiene minerales, materia orgánica, aire, agua y los nutrientes necesarios para dar sostén y desarrollo a las plantas superiores.
En geología, suelo es un término ambiguo que significa material relativamente suelto, así como material que da vida.
En ingeniería se ha definido al suelo como cualquier material no consolidado compuesto de partículas sólidas, incluyendo líquidos y gases, abarcando todos los depósitos sueltos o moderadamente cohesivos (gravas, arenas, limos y arcillas) hasta areniscas parcialmente cementadas y lutitas suaves.
4.3.1 Granulometría de los suelos.
Se refiere a la distribución por tamaño y porcentaje de las partículas que componen un suelo. El análisis granulométrico es útil para identificar algunas características del suelo tales como:
1. Si puede drenarse fácilmente. 2. Si es apropiado para usarse en proyectos de construcciones tales como presas y caminos. 3. Estimación de la altura capilar 4. Si puede usarse en el concreto asfáltico o en mezclas de concreto hidráulico. 5. Su uso en filtros para evitar la tubificación. 6. Su clasificación incluyendo el sistema unificado de clasificación de suelos y en consecuencia sus propiedades y aplicaciones.
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4.3.2 Clasificación de los suelos
Clasificación granulométrica de los suelos según sus tamaños, son los siguientes:
Cuadro 4.1 Clasificación granulométrica de los suelos según sus tamaños Debajo de 0.00002 mm las partículas constituyen disoluciones verdaderas y ya no se depositan.
Con frecuencia se ha usado otros tipos de clasificación, destacando el método grafico del Public Roads Administration de los Estados Unidos, pero su interés es hoy menor cada vez, por lo cual se considera que las clasificaciones señaladas son suficientes para dar idea del mecanismo utilizado en su elaboración.
4.3.3 Algunas características de Gravas y Arenas, Limo y Arcilla, Limo, Arcilla.
4.3.3.1 Gravas y Arenas. Las gravas y arenas bien graduadas son materiales muy estables y cuando carecen de finos son permeables.
Las gravas son más estables y permeables que las arenas gruesas, y estas más que las arenas finas. Las arenas finas muy uniformes son mas permeables y menos estables que las bien graduadas. Estas propiedades de las fracciones gruesas, dependen mucho de la graduación, forma y tamaño de las partículas.
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Diseño de Armaduras para Techo 10 Leonilo Santiago Hernández 4.3.3.2 Limo y Arcilla. El limo y la arcilla constituyen la fracción fina de un suelo, y pequeñas proporciones de ellos pueden modificar considerablemente las propiedades de la fracción gruesa, especialmente la permeabilidad y capilaridad, pues en los suelos gruesos bien graduados, basta un 10% de finos para volverlos impermeables. 4.3.3.3 Limo. Los limos son los finos no plásticos de un suelo; son sumamente inestables cuando están saturados, comportándose como una arena movediza al aplicarse un esfuerzo cortante; son impermeables y difíciles de compactar y en lugares con invierno riguroso existe el peligro de que se hinchen por efecto del hielo. 4.3.3.4 Arcilla. Las arcillas son los finos plásticos del suelo; sus características se ven seriamente afectadas por el contenido de humedad, cuando este es alto, poseen una baja resistencia al esfuerzo cortante, mientras que en un estado seco la resistencia puede ser muy considerable, lo cual se comprueba fácilmente al tratar de desmoronar un trozo de arcilla seca entre los dedos. 4.3.4 Importancia del esfuerzo cortante de los suelos La resistencia al esfuerzo cortante de un suelo puede definirse como la oposición máxima que presentan sus partículas a un desplazamiento relativo, bajo ciertas condiciones dadas principalmente de drenaje. La evaluación de dicha resistencia, es importante en la mayoría de los problemas de estabilidad de masas de suelo y diseño de estructuras, como son: 1. Proporcionar taludes adecuados para terraplenes o excavaciones, ya sea de cortes en caminos, canales o en cimentaciones. 2. Determinar la carga que un suelo es capaz de soportar dentro de la seguridad, incluyendo las cargas de terraplenes y diques. 3. Determinar la capacidad de carga de un suelo que soporta zapatas corridas o losas de cimentación. 4. Determinar la resistencia al esfuerzo cortante desarrollado entre el suelo y los pilotes o cajones o cajones de cimentación.
Diseño de Armaduras para Techo 11 Leonilo Santiago Hernández 4.3.5 Capacidad de carga La capacidad de carga, es la capacidad del suelo para soportar una carga sin que se produzcan fallas dentro de su masa. La capacidad de carga del suelo bajo una cimentación depende principalmente de la resistencia al esfuerzo cortante. Los valores admisibles para diseño toman en consideración tanto la resistencia como las características de deformación del suelo. La mayoría de los métodos para estimar la capacidad de carga están basados en la teoría de la plasticidad, siendo Prandtl, Terzagui, Meyerhof y Skempton quienes han desarrollado los métodos usados actualmente. Una estructura transmite las cargas al suelo por medio de diferentes tipos de bases de cimentación. La estructura, la cimentación y la masa de tierra que la soporta actúan en conjunto. Esto se cumple para estructuras de mampostería, metálicas, presas de tierra, etc. Cualquier que sea el caso, la cimentación debe cumplir con dos requisitos básicos: 1. La masa de tierra natural debe ser capaz de soportar la estructura sin fallar, es decir tener un factor de seguridad generalmente de 3. 2. El orden de magnitud del asentamiento por producirse no debe poner en peligro la estructura. Se considera que una cimentación es poco profunda cuando la profundidad Df a la que se encuentra cimentada, es igual o menor que su ancho B; en caso contrario se llama profunda. B Df Figura 4.3 Profundidad y Ancho de una Zapata
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Enseguida se hará una descripción breve a cerca de la teoría de Terzaghi. Se supone que la capacidad de carga se obtiene en general por la suma de tres componentes:
1. La cohesión y la fricción de un material sin peso que no lleva sobrecarga. 2. La fricción de un material sin peso que soporta una sobrecarga aplicada en la superficie. 3. La fricción de un material con peso que no soporta sobrecarga. Así la capacidad de carga última de un suelo resulta ser (Para falla general): 1 2
Donde:
Nc y Nq = Son los factores de capacidad de carga relativos a la cohesión y a la sobrecarga, respectivamente. Se obtienen a partir del ángulo de fricción interna F. N? = Factor de capacidad de carga que considera la influencia del peso del suelo. C = Cohesión del suelo. Pd ó (?1 Df) = Corresponde a la presión efectiva a nivel de desplante del cimiento a un lado del mismo. ?2 = Peso especifico bajo el nivel de desplante. B = ancho del cimiento. 4.4 Madera
4.4.1 Madera para miembros estructurales
A diferencia de muchos materiales de construcción, la madera no es un material elaborado, sino orgánico, que generalmente se usa en su estado natural. De los numerosos factores que influyen en su resistencia, los más importantes son: la densidad, los defectos naturales y su contenido de humedad. A causa de los defectos y de las variaciones inherentes a la madera, es imposible asignarle esfuerzos unitarios de trabajo con el grado de precisión que se hace en el acero o en el concreto. 12
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Desde este punto de vista de la ingeniería, la madera presenta problemas más complejos y variados que muchos otros materiales estructurales.
Los árboles cuya madera se emplea en la construcción se clasifican en dos grupos: los de madera blanda y los de madera dura. Los de madera dura, por ejemplo: los encinos y los arces, tienen hojas anchas. Los términos madera blanda y madera dura no indican el verdadero grado de dureza de las diferentes especies de árboles. Loe encinos por ejemplo son muy duros, mientras que los tilos, que también se clasifican entre los árboles de madera dura, son extremadamente blandos. Por otra parte, el pino amarillo del sur y el abeto Douglas, que aunque se clasifican entre los de madera blanda, son, en realidad, dos de las maderas más duras. Las dos especies de árboles que más se usan para obtener madera estructural en los Estados Unidos son los pinos del sur y los abetos Douglas, clasificándose los dos entre las maderas blandas.
4.4.2 Crecimiento de los árboles
La sección transversal del tronco de un árbol muestra los anillos de madera nueva que se forman anualmente. Estos anillos, que se llaman anillos anuales, con frecuencia están formados por capas de color claro y otras de color obscuro, el anillo de color claro corresponde al leño que se desarrolla en primavera de cada año y el del color obscuro es el del verano. Indicando la edad del árbol el número de anillos.
La banda de anillos anuales en el borde exterior del tronco se conoce con el nombre de albura. Conforme el árbol envejece, la albura cambia gradualmente a duramen, formándose una albura nueva. La madera de duramen es generalmente más obscura que la albura. En general, la albura es ligera y más porosa que el duramen. Este es más denso y da resistencia al tronco del árbol. Es más resistente y más durable que la albura.
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4.4.3 Defectos de la madera
A causa de las características naturales del material, existen varios defectos inherentes en todas las maderas, que afectan a su resistencia, apariencia y durabilidad. A continuación se describen los defectos más comunes.
4.4.3.1 Rajadura a través de anillos. Es una hendidura o separación longitudinal de la madera que atraviesa los anillos anuales; generalmente proviene del proceso de curado. Figura 4.4 Grieta en los anillos Figura 4.5 Rajadura en los anillos 4.4.3.2 Reventadura entre anillos. Se llama reventadura entre anillos a la separación a lo largo del hilo, principalmente entre anillos anuales. Estos dos tipos de defectos reducen la resistencia al esfuerzo cortante; por tanto, los miembros sujetos a flexión resultan afectados directamente por su presencia. La resistencia de los miembros a la compresión longitudinal no resulta afectada grandemente por las reventaduras entre anillos. Figura 4.6 Reventadura en los anillos
4.4.3.3 La pudrición. Es la desintegración de la substancia linosa debido al efecto destructor de los hongos. La pudrición se reconoce con facilidad, porque la madera se hace blanda, esponjosa o se desmorona. El aire, la humedad y una temperatura favorable propician el crecimiento de los hongos. Para evitar la pudrición de la madera se impregnan con preservativos como la brea de carbón de piedra y la creosota para impedir el desarrollo de hongos o bien aplicando pintura a la madera cuando esta seca. Por tanto, en las maderas de los grados estructurales, no se tolera ninguna forma de pudrición.
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Diseño de Armaduras para Techo 15 Leonilo Santiago Hernández 4.4.3.4 Descantillado. Es el término que se aplica a la corteza, o ausencia de madera o de corteza, en la arista o esquina de un trozo de madera aserrada. La resistencia de un miembro puede resultar afectada por el descantillado, porque el miembro tiene un área de la sección transversal insuficiente. El descantillado puede evitarse con el requisito de que las aristas sean en ángulo recto. 4.4.3.5 Nudo. Es la parte de una rama incorporada en el tallo de un árbol. La resistencia de un miembro resulta afectada por el tamaño y la posición de los nudos que pueda contener. 4.4.3.6 Bolsas de resina. Son aberturas paralelas a los anillos anuales que contiene resina, ya sea sólida o líquida. 4.4.4 Curado de la madera El proceso para eliminar la humedad de la madera verde se conoce con el nombre de curado; se efectúa exponiéndolo al aire o calentándola en hornos. La madera curada es más rígida, más fuerte y más durable que la madera verde. Al eliminar el agua se contraen las células fibrosas; las que forman las paredes laterales de la fibra se contraen más que las internas y las células de la albura más que las del duramen. La contracción de las fibras linosas produce esfuerzos internos que originan rajaduras y alabeo; el efecto del curado varía según el tamaño de la madera. En general, las maderas blandas se contraen más con el curado que las duras. 4.4.5 Clasificación de la madera blanda Se define como madera el producto del proceso de cepillar y cantear en el aserradero, sin ningún tratamiento adicional que aserrar, volver a aserrar y pasarla longitudinalmente por una canteadora estándar cortarla a cierta longitud e igualarla.
16 Leonilo Santiago Hernández Diseño de Armaduras para Techo
Hay tres clases principales de madera blanda en el sistema americano de normas para madera:
1. Madera comercial o de barranca 2. Madera estructural 3. Madera por elaborar
4.4.5.1 La madera comercial. Comprende el material de grueso menor de 5 plg que se usa en trabajos generales de construcción. Es la madera que se encuentra generalmente en las madererías que venden al menudeo.
4.4.5.2 En el material estructural. Se incluye madera (excepto las viguetas y tablones) de 5 plg o más de grueso y ancho. Al material de este grupo generalmente se le llama madera gruesa. En general, se usa material estructural para soportar cargas y se clasifica tomando el centímetro como medida.
4.4.5.3 Madera por elaborar. Comprende los tablones para fábricas y madera que se clasifica como adecuada para usarse en puertas, marcos y otras piezas de 1 1/4 plg o más grueso y 5 plg o más ancho. Se usa en la industria de carpintería y ebanistería y para artículos de madera.
Se le llama con frecuencia al material estructural maderaje o madera gruesa. Debido a que la resistencia de la madera varia con el tipo de carga a la que se sujeta, y también porque el efecto del curado varia con el tamaño.
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Clasificación de la madera Blanda MADERA BLANDA (Esta clasificación se aplica a la madera en bruto o cepillada. Los tamaños dados son nominales). MADERA COMERCIAL (Madera de grueso menor de 5 plg para aplicación general en las construcciones, que se clasifica según el uso de toda la pieza.) Labrada (de grueso no mayor de 4 plg y de ancho no mayor de 16 plg.)
Tablas comunes (de grueso menor de 2 plg y de una ó más pulgadas de ancho.)
Aserrada común (de 2 plg y menor de 5 plg de grueso y de 2 plg ó mas de ancho.) Viguetas y tablones (de 2 a 4 plg de grueso y de 4 ó más de ancho.)
Vigas y largueros (de 5 plg ó más de grueso y 8 ó más de ancho.)
Postes y madera grueso (de 5 X 5 plg y mayor.) MADERA ESTRUCTURAL (Madera de 5 ó más plg de grueso y ancho, excepto viguetas y tablones clasificados de acuerdo con su resistencia y el uso a que se destina la pieza entera.) MADERA POR ELABORAR (Clasificada por el área de la pieza que se le presta para hacer piezas cortadas de cierto tamaño y calidad.)
Leonilo Santiago Hernández Tablones para fábrica, clasificados para puertas, marcos y otras piezas de 1 ¼´´ ó más de grueso y 5´´ ó más de ancho.
Madera de taller clasificada para cortar piezas en general.
17 Tablones (de 2 a 4 plg de grueso y de 8 plg ó más de ancho.) Alfardas (de 2 a 5 plg de grueso y de anchura máxima de 8 plg.) Viguetas gruesas (de 4plg de grueso y de 8 plg ó más de ancho.) Las reglas para clasificar de la asociación deberán aplicarse para los grados y tamaños estándar. No. 1. No. 2. No. 3. A. B. C. D.
No. 1. No. 2. No. 3. No. 4. No. 5.
No. 1. No. 2. No. 3.
No. 1. No. 2. No. 3.
Diseño de Armaduras para Techo 18 Leonilo Santiago Hernández 4.4.6 Clasificación de la madera de acuerdo con su tamaño y uso. 4.4.6.1 Vigas y largueros. Grueso nominal, 5 plg o mayor; anchos nominales, de 8 plg o más. 4.4.6.1 Viguetas y tablones. Grueso nominal, 2 a 5 plg pero sin llegar a 5 plg, ancho nominal, de 4 plg o mayor. 4.4.6.2 Postes y madera gruesa. Tamaños nominales, 5 X 5 plg o mayores. 4.4.7 Formas comerciales de utilización de la madera. 4.4.7.1 Madera rolliza. También llamada madera sin elaborar, es de uso frecuente en México en construcciones rurales y tradicionales. Por lo regular es empleada para andamios, cimbras y obras falsas de diversos tipos. 4.4.7.2 Madera labrada. Se obtiene dándole forma con hacha o azuela. Los miembros de madera labrada generalmente son piezas relativamente robustas utilizadas como vigas, postes, pilotes cabezales de caballetes para puentes. 4.4.7.3 Madera aserrada. Es la que se obtiene cortando trozas longitudinalmente con sierra manual o mecánica. 4.4.7.3.1 Dimensiones usuales. Comercialmente la madera aserrada se consigue con una variedad relativamente amplia de dimensiones. Por tradición es costumbre dar las medidas en unidades inglesas: pulgadas para anchos y espesores, pies para longitudes. Todavía es usual estimar volúmenes en pies – tablón (El pié – tablón es igual al volumen de una pieza de una pulgada de grosor por un pie de ancho por un pie de longitud). Las dimensiones utilizadas para identificar las piezas de madera son nominales y suelen corresponder a las dimensiones de la pieza en estado verde.
Diseño de Armaduras para Techo 19 Leonilo Santiago Hernández 4.4.7.4 Tableros. Por tablero o panel se entiende un elemento obtenido a partir de madera por medio de algún proceso industrial, a veces bastante complejo. Se utilizan para fines estructurales o decorativos. Se distinguen tres tipos de tableros: los de madera contrachapada o triplay, los de fibra y los de partícula. 4.4.7.5 Madera laminada encolada. La técnica de la madera laminada encolada consiste en formar elementos estructurales de grandes dimensiones uniendo piezas de madera relativamente pequeñas por medio de algún adhesivo. Las piezas utilizadas para formar los elementos de madera laminada son tablas con espesores de 1.5 a 0.5 centímetros de espesor. 4.5 Acero Las propiedades físicas de varios tipos de acero y de cualquier tipo de aleación de acero dada a temperaturas variantes depende principalmente de la cantidad del carbono presente y en como es distribuido en el hierro. La hipótesis acerca de la perfección de este material, posiblemente el mas versátil de los materiales estructurales, parece mas razonable al considerar su gran resistencia, poco peso, fabricación sencilla, y muchas otras propiedades deseables. La calidad del acero ha evolucionado en incrementos relativamente pequeños, en comparación con las resistencias del concreto. El acero estructural de batalla hasta 1990 es el NOM – B – 254 (ASTM – A36), ya que actualmente se están construyendo numerosas estructuras con acero ASTM – A572, inclusive con acero A – 65. El primer acero utilizado en México para fines estructurales fue el ASTM – A7, este tipo de acero se utilizo profusamente en la construcción remachada, que fue el primer tipo de construcción en nuestro país; Posteriormente, después de la segunda guerra mundial cuando se desarrollo la soldadura, el acero A – 7 fue sustituido por el ASTM – A36, debido a que tenía problemas de soldabilidad por su alto contenido de carbono.
Diseño de Armaduras para Techo 20 Leonilo Santiago Hernández 4.5.1 Ventajas del acero como material estructural El acero estructural, a pesar de su elevado costo, es el material ideal para su construcción, especialmente para estructuras ubicadas en zonas sísmicas, por las ventajas que a continuación se indican: 4.5.1.1 La alta resistencia del acero por unidad de peso. Significa que las cargas muertas serán menores o sea que es poco el peso de la estructura. Este hecho es de gran importancia en puentes de gran claro, y edificios elevados, y en estructuras cimentadas en condiciones precarias. 4.5.1.2 Uniformidad. Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como sucede con las del concreto reforzado. 4.5.1.3 Elasticidad. El acero esta más cerca de las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, por la ley de Hooke. Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden ser calculados con precisión, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son un tanto indefinidos. 4.5.1.4 Durabilidad. Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran indefinidamente. 4.5.1.5 Ductilidad. Es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. 4.5.1.6 Diversos. Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son: adaptación a la prefabricación, rapidez de montaje, soldabilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga, posible reutilización después de que la estructura se desmonte y valor de rescate, aun cuando no pueda usarse sino como chatarra. 4.5.1.7 Tenacidad. Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.
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4.5.2 Desventajas del acero como material estructural
4.5.2.1 Costo de mantenimiento. La mayoría de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente.
4.5.2.2 Costo de la protección contra el fuego. La resistencia del acero se reduce considerablemente durante los incendios, ya que el acero es un excelente conductor de calor, de manera que los miembros de acero sin protección pueden transmitir suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo.
4.5.2.3 Susceptibilidad al pandeo. Entre más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, mayor es el peligro de pandeo. El acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al usarse como columnas no resulta muy económica ya que debe usarse bastante material.
4.5.2.4 Fatiga. Su resistencia puede reducirse si se somete a un gran numero de inversiones del signo del esfuerzo, o bien, a un gran numero de cambios de la magnitud del esfuerzo de tensión. (Se tienen problemas de fatiga solo cuando se presentan tensiones).
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V. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
5.1 Concreto
5.1.1 Peso volumétrico. El peso volumétrico del concreto es elevado en
comparación con el de otros materiales de construcción, su valor oscila entre 1.9 y 2.5 ton/m3 dependiendo principalmente de los agregados pétreos que se empleen.
5.1.2 Módulo de elasticidad. Denotado por E, se puede definir como la relación
del esfuerzo normal, la deformación correspondiente para esfuerzos de tensión o compresión por debajo del límite de proporcionalidad de un material. Para concretos de peso normal, E fluctúa entre 140, 600 y 422, 000 kg/cm2.
5.1.3 Resistencia a la compresión. Dependiendo de la mezcla (especialmente
de la relación agua –cemento) y la duración y calidad del curado, pueden obtenerse resistencias a la compresión en el concreto de hasta de 703 kg/cm2 (10000 lb/plg2) o mas. El concreto fabricado comercialmente con agregados ordinarios generalmente varia de 175 a 421 kg/cm2 (2500 a 6000 lb/plg2) y lo mas común es que tenga una resistencia cerca a f 'c=210 kg/cm2 (3000 lb/plg2). Debido a las diferencias en los agregados, y en menor grado en los cementos, mezclas con las mismas dosificaciones producen resistencias mucho mas bajas en algunas regiones del país. La resistencia a la compresión del concreto se mide en cilindros estándar de 15 por 30 cm (6 por 12 plg), curados en condiciones de laboratorio y probados aumentando la carga en forma especificada a los 28 días.
5.1.4 Resistencia a la tensión. La resistencia a la tensión del concreto es
relativamente baja, aproximadamente del 10 al 15% de la resistencia de compresión, ocasionalmente del 20%. Esta resistencia es más difícil de medir y los resultados de probeta a probeta varían más que los de los cilindros de las pruebas a compresión.
5.1.5 Resistencia al corte. La resistencia al corte es grande, y los datos que se
han dado al respecto varían del 35 al 80% de la resistencia a la compresión.
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Diseño de Armaduras para Techo 23 Leonilo Santiago Hernández 5.1.6 Deformación plástica del concreto. Al empezar a cargar el concreto con esfuerzos bajos, la deformación del concreto es aproximadamente elástica, pero esta deformación aumenta con el tiempo aunque la carga permanezca constante. A esta deformación que aumenta con el tiempo se le llama deformación plástica, y en condiciones ordinarias puede llegar a ser mayor que la deformación elástica. 5.1.7 Contracción del concreto. Cuando el concreto pierde humedad por evaporación, se contrae. Como el agua no sale uniformemente de la masa del concreto, las diferencias de humedad producen diferentes grados de contracción y esfuerzos internos. Los esfuerzos debidos a las diferencias entre las contracciones pueden ser de consideración y esta es una de las razones por la que es muy importante la humedad durante el curado del concreto. 5.1.8 Fatiga. Cuando un elemento falla después de un número muy grande de repeticiones de carga, se dice que ha fallado por fatiga. 5.1.9 Flexión. La resistencia a la flexión se usa como índice de la resistencia de pavimentos de concreto simple. El índice de resistencia a la flexión del concreto simple se obtiene del ensaye de vigas de sección cuadrada, simplemente apoyadas y sujetas a una o dos cargas concentradas. 5.2 Mampostería La resistencia de la mampostería depende principalmente de la resistencia de la pieza y en menor grado de la del mortero, es por tanto, importante, utilizar piezas sanas, por falta de métodos de ensayos. La resistencia a la compresión de las piedras varía desde 100 Kg/cm2 (Areniscas suaves), hasta más de 2000 Kg/cm2 (Granitos y basaltos). Se permiten en la mampostería de piedras naturales morteros de menor calidad que para mampostería de piedras artificiales.
24 Leonilo Santiago Hernández Diseño de Armaduras para Techo
A continuación se presentan algunas propiedades de rocas utilizadas en la construcción. Cuadro 5.1 Módulos de elasticidad aproximados para diferentes rocas Cuadro 5.2 Pesos volumétricos de Piedras naturales Cuadro 5.3 Pesos volumétricos de Piedras artificiales y morteros 5.2.1 Peso volumétrico
El peso volumétrico del concreto para mampostería depende, fundamentalmente, del peso de los agregados y del proceso de fabricación (compactación dada la mezcla); y en menor grado de la dosificación de la mezcla.
Cuadro 5.4 Clasificación de las unidades de mampostería de concreto según su peso volumétrico.
Diseño de Armaduras para Techo 25 Leonilo Santiago Hernández 5.2.2 Resistencia a la compresión La resistencia a la compresión es la principal cualidad que deben tener las unidades de mampostería, esta varía con el tipo de mampostería. 5.3 Tierra 5.3.1 Peso especifico El peso específico relativo de la mayoría de las partículas minerales constituyentes de un suelo (Ss) varía entre límites estrechos (2.60 a 2.90). Como ejemplo, el peso específico de un cuarzo es de 2.67 y el del feldespato es 2.6. En suelos con abundante hierro, Ss puede llegar a 3, en la turba se han llegado a medir valores de 1.5, debido a la presencia de materia orgánica. Los minerales de arcilla que constituyen la fracción coloidal de un suelo, pueden tener un peso específico promedio comprendido entre 2.80 y 2.90. Así pues, es normal que en un suelo real los minerales de las fracciones muy fina y coloidal tengan su peso específico relativo mayor que los minerales de la fracción más gruesa. El peso específico relativo de los sólidos de un suelo se determina en laboratorio. 5.3.2 Plasticidad Existen suelos que al ser remoldeados, cambiando su contenido de agua si es necesario, adoptan una consistencia característica, que desde épocas antiguas se ha denominado Plástica. Normalmente este tipo de suelo se le ha llamado arcilla. En la mecánica de suelos puede definirse plasticidad como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. 5.3.3 Permeabilidad de los suelos Se entiende por permeabilidad la propiedad que tiene un suelo de permitir pasar el agua por sus poros.
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5.3.4 Compactación
Se entiende por compactación todo proceso de acción dinámica que
aumenta la densidad de un suelo, al mismo tiempo que disminuye su
compresibilidad.
5.4 Madera
5.4.1 Esfuerzos unitarios
5.4.1.1 Fuerzas. Puede definirse a una fuerza como lo que modifica o tiende a cambiar el estado de reposo o de movimientos de un cuerpo, o que hace que cambie de forma, si lo sujetan en su sitio otra fuerza o fuerzas. Con frecuencia, en los problemas de ingeniería se usan el término kip: un kip es una unidad que vale 1000 lb. En algunos reglamentos de construcción se usa el término tonelada en relación con las cargas unitarias admisibles en el desplante de los cimientos. Cuando se usa así, una tonelada es una unidad que vale 2000 lb. 5.4.1.2 Cargas. Una carga es la magnitud de una presión o tensión debida a la superposición de un peso. Los dos tipos más comunes en problemas de ingeniería, son los que se refieren a cargas concentradas y cargas uniformemente distribuidas. Una carga uniformemente distribuida es la que tiene una magnitud uniforme en cada unidad de longitud, y que se ejerce sobre una parte o sobre toda longitud de un miembro estructural. Una vigueta que soporta una cubierta de piso es un ejemplo de viga que soporta una carga uniformemente distribuida. Hacemos notar que, en el diseño de vigas, la carga debida al peso propio constituye una carga uniformemente distribuida. Una carga producida por una viga que se apoya en una trabe es un ejemplo de carga concentrada. Pero en la práctica se considera que la carga de la viga obra a la mitad de su ancho es decir, como carga concentrada. Se aplica el término de carga muerta al peso de los materiales de construcción, al peso de las vigas, pisos, tabiques y columnas. La carga viva esta compuesta por el peso de los ocupantes, muebles, equipo, materiales almacenados y nieve. La carga total es la suma de las cargas muertas y vivas.
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5.4.1.3 Esfuerzo unitario. Puede definirse el esfuerzo unitario como una resistencia interna, por unidad de área, que resulta ocasionada por la aplicación de una fuerza externa. Puede describirse como una fuerza resistente distribuida internamente.
5.4.1.4 Tipos de esfuerzos. Los tres tipos de esfuerzos diferentes en los que interesan principalmente son compresión, tensión y corte.
Un esfuerzo de compresión es el que se produce cuando una fuerza tiende a comprimir o aplastar un miembro estructural.
Esfuerzo a tensión es el que se produce, al aplicar una fuerza que tiende a estirar o alargar un miembro. Se produce un esfuerzo cortante cuando dos fuerzas iguales, paralelas y de sentido contrario, tienden a hacer resbalar, una sobre otra, las superficies contiguas de un miembro.
5.4.1.5 Deformación. Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, se produce en el un cambio de tamaño o de forma; a este cambio se le llama deformación. Cuando las fuerzas axiales son de compresión y de tensión, las deformaciones son acortamientos o alargamientos, respectivamente. Cuando una fuerza obra en un miembro flexionándolo, como lo hacen las cargas en las vigas, la deformación se llama flecha. En las vigas, la deformación (flecha) debe mantenerse dentro de ciertos límites.
5.4.1.6 Limite de elasticidad. Para explicar los términos que se usan para identificar los diferentes esfuerzos, se estudiara el ejemplo siguiente: se coloca una pieza corta de madera en una maquina para pruebas de compresión. Se le aplica una carga que produce un esfuerzo unitario de 70.3 kg/cm2 (1000 lb/plg2) y se encuentra que la deformación es de 0.00152 cm (0.0006 plg). Cuando la carga produce un esfuerzo unitario de 140.6 kg/cm2 (2000 lb/plg2) la deformación aumenta 0.00152 cm (0.0006 plg) o sea que ahora la deformación total es de 0.00304 cm (0.0012 plg). Duplicando la carga, se duplica la deformación.
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Diseño de Armaduras para Techo 28 Leonilo Santiago Hernández Al continuar la prueba, se encuentra que las deformaciones aumentan en proporción directa a la carga aplicada. A partir de este punto encontramos que las deformaciones comienzan a aumentar en mayor proporción que las cargas aplicadas. A este esfuerzo unitario se le llama limite de elasticidad o limite de proporcionalidad del material. Elasticidad es la propiedad que permite a un cuerpo recuperar sus dimensiones originales, cuando se suprime la carga que las modificó. Sin embargo, esto ocurre solamente cuando el esfuerzo unitario no excede el límite de elasticidad. Después de este esfuerzo, se produce un alargamiento o acotamiento permanente, llamado deformación permanente. 5.4.1.7 Esfuerzo de ruptura. Supongamos que continúa con la prueba de compresión de la muestra anterior. Se encuentra que la rotura ocurre cuando el esfuerzo unitario ha alcanzado el valor de aproximadamente 597.5 kg/cm2 (8,500 lb/plg2). A este esfuerzo se le llama esfuerzo a la ruptura por compresión (esfuerzo último), del material. 5.4.1.8 Modulo de elasticidad. El modulo de elasticidad de un material es la medida de su rigidez. Una muestra de acero sufre cierta deformación cuando se le somete a una carga dada, pero la muestra de madera de las mismas dimensiones, sometida a las mismas cargas, probablemente se deforme 20 veces más. Decimos que el acero es más rígido que la madera. Se llama modulo de elasticidad del material, la relación entre el esfuerzo unitario y la deformación unitaria, con tal que el esfuerzo unitario no exceda el limite de elasticidad del material. Cuadro 5.5 Módulos de elasticidad de la madera 5.4.1.9 Esfuerzos unitarios permisibles. Al esfuerzo unitario permisible se le dan varios nombres: esfuerzo de trabajo de seguridad, esfuerzo unitario de trabajo y esfuerzo permisible.
Diseño de Armaduras para Techo 29 Leonilo Santiago Hernández Por lo general, se determina tomando una fracción del esfuerzo a la ruptura o del límite de elasticidad. Puesto que los esfuerzos superiores al limite de elasticidad producen deformaciones permanentes, es obvio que los esfuerzos unitarios de seguridad deben ser mucho menores que el limite de elasticidad. 5.4.2 Densidad de la madera El peso especifico de las diferentes especies de madera, lo determinan las diferencias de disposición y tamaño de las células huecas, así como el espesor de las paredes de las células. La resistencia de la madera esta íntimamente relacionada con su densidad. El termino hilo o veta apretada se refiere a la madera que tiene anillos anuales angostos, con separaciones muy pequeñas. Cuando se trata de hacer cálculos, se toma como peso promedio de la madera 40 lb por pie3 o bien 643 kg / m3. 5.5 Acero 5.5.1 Propiedades mecánicas de los metales estructurales El mayor esfuerzo para el cual tiene aplicación la ley de Hooke, o el punto mas alto sobre la porción de la línea recta del diagrama esfuerzo-deformación, es el llamado limite de proporcionalidad. El mayor esfuerzo que puede soportar el material sin ser deformado permanentemente, es llamado límite elástico. En realidad, este valor es medido en muy pocas ocasiones y, para la mayor parte de los materiales de ingeniería, incluyendo el acero estructural, es sinónimo de límite de proporcionalidad. Por tal motivo, algunas veces se usa el término límite elástico de proporcionalidad. Al esfuerzo que corresponde un decisivo en el alargamiento o deformación, sin el correspondiente incremento en esfuerzo, se conoce por límite de fluencia. Este es también el primer punto, sobre el diagrama esfuerzo-deformación, donde la tangente a la curva es horizontal.
Diseño de Armaduras para Techo 30 Leonilo Santiago Hernández Probablemente el punto de fluencia es para el proyectista la propiedad más importante del acero, ya que los procedimientos para diseñar elásticamente están basados en dichos valor (con excepción de miembros sujetos a compresión, donde el pandeo puede ser un factor). Los esfuerzos permisibles usados en estos métodos son tomados usualmente como fracción (%) el límite de fluencia. Mas allá de tal limite, existe una zona en la cual ocurre un considerable incremento en la deformación, sin incrementos en el esfuerzo. La deformación que ocurre antes del punto de fluencia, se conoce como deformación elástica; la deformación que ocurre después del punto de fluencia, sin incremento en el esfuerzo, se conoce como deformación plástica. El valor total de esta ultima, es usualmente de 10 o 15 veces el valor de la deformación elástica total. Podría suponerse que la fluencia del acero, sin incremento de esfuerzo, es una seria desventaja, pero actualmente es considerada como una característica muy útil. A menudo ha desempeñado el admirable servicio de prevenir fallas debidas a omisiones o errores de diseño. Pudiera ser que un punto de la estructura de acero dúctil alcanzara el punto de fluencia, con lo que dicha parte de la estructura cedería localmente, sin incremento del esfuerzo, previniendo así una falla prematura. Esta ductilidad permite que los esfuerzos de la estructura de acero puedan reajustarse. Otro modo de describir este fenómeno es diciendo que los muy altos esfuerzos causados durante la fabricación, montaje o carga, tenderán a uniformarse y compensarse por si mismos. También debe decirse que una estructura de acero tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas y choques súbitos. Si no tuviera esa capacidad, podría romperse bruscamente, como sucede con el vidrio y otras sustancias semejantes. Siguiendo la deformación plástica, existe una zona donde es necesario un esfuerzo adicional para producir deformación adicional, que es llamada de endurecimiento por deformación. Esta porción del diagrama no es muy importante para el diseñador actual.
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En la figura 5.1 se muestra un diagrama esfuerzo – deformación para cero dulce estructural, que es bien conocido. Solo se muestra la parte inicial de la curva por la gran deformación que ocurre antes de la falla. En la falla de los aceros dulces, las deformaciones totales son del orden de 150 a 200 veces las deformaciones elásticas. En realidad, la curva continuara hasta el esfuerzo correspondiente a la resistencia final y luego descenderá, “le saldrá cola”, antes de la ruptura. Se presentan una aguda reducción (llamada estrangulamiento, cuello), en la sección transversal del miembro, seguida de la ruptura.
La curva esfuerzo – deformación de la figura 5.1 es una curva típica de un acero usual dúctil de grado estructural y se supone que es la misma para miembros a tensión o en compresión. (Los miembros en compresión deben ser cortos, ya que si son largos, la compresión tiende a pandearlos lateralmente, y sus propiedades se ven afectadas grandemente por los momentos flexionantes). La forma del diagrama varia con la velocidad de carga, el tipo de acero y la temperatura. En la figura 5.1, se muestra con línea interrumpida, una variación del tipo mencionado, indicándose el límite superior de fluencia. Esta forma de la curva esfuerzo – deformación, es el resultado de aplicar rápidamente la carga al acero estructural laminado, en tanto que el limite inferior de fluencia corresponde a carga aplicada lentamente. Fluencia Elástica Endurecimiento por deformación Fluencia Plástica
Punto superior de fluencia Punto inferior de fluencia Esfuerzo P A f = Deformación
Figura 5.1 Diagrama típico Esfuerzo – Deformación para el acero estructural laminado
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32 Leonilo Santiago Hernández Diseño de Armaduras para Techo
Una propiedad muy importante de una estructura que no haya sido cargada mas allá de su punto de fluencia, es que recuperara su longitud original cuando se le retire la carga. Si se hubiere llevado mas allá de este punto, solo alcanzaría a recuperar parte de su dimensión original. Este conocimiento conduce a la posibilidad de probar una estructura existente mediante carga, descarga y medición de deflexiones. Si después de que las cargas se han retirado, la estructura no recobra sus dimensiones originales, es porque se ha visto sometida a esfuerzos mayores que su punto de fluencia.
El acero es un compuesto que consiste totalmente de hierro (normalmente mas de 98 %). Contiene también pequeñas cantidades de carbono, sílice, manganeso, azufre, fósforo y otros elementos. El carbono es el material que tiene mayor efecto en las propiedades del acero. La dureza y resistencia aumentan a medida que el porcentaje de carbono se eleva, pero desgraciadamente el acero resultante es más quebradizo y su soldabilidad disminuye considerablemente. Una menor cantidad de carbono hace al acero más suave y más dúctil pero también menos resistente. La adición de elementos tales como, sílice y níquel produce aceros considerablemente más resistentes. Estos aceros, por lo tanto, son apreciablemente mas costosos y a menudo no son tan fáciles de elaborar.
5.5.1.1 Modulo de elasticidad. El modulo de elasticidad de un material es la medida de su rigidez.
Cuadro 5.6 Tabla Modulo de Elasticidad del acero
5.5.1.2 Otras Propiedades. Estas propiedades incluyen la densidad de masa del acero que es de 490 lb/ft3 ó 7.85 ton/m3.
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5.5.2 Aceros Estructurales Modernos
Las Propiedades del acero pueden combinarse en gran medida variando las cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel, manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos ultimaos elementos se denomina acero aleado.
Aunque esos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las cantidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeños. El contenido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5 en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3 %.
La composición química del acero es de gran importancia en sus efectos sobre las propiedades del acero tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura, etc. El carbono en el acero incrementa su dureza y su resistencia, pero al mismo tiempo reduce su ductibilidad igual que lo hacen el fósforo y el azufre. Los aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones principales de la ASTM (American Society for Testing and Materials): los aceros de propósitos generales (A36), los aceros estructurales de carbono (A529), los aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (A441 y A 572), los aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica (A242 Y A588) y la placa de acero templada y revenida (A514).
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Cuadro 5.7 Aceros Estructurales Modernos a b Los valores Fy varían con el espesor y el grupo Los valores Fu varían con el grado y el tipo
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El acero al carbono es el mas común, tiene una ductilidad excelente, lo que permite que se utilice en muchas operaciones de formado en frío. El acero también se puede soldar con facilidad. Los aceros de alta resistencia se utilizan mucho en proyectos de ingeniería civil.
El acero es unos de los más importantes materiales estructurales. Entre sus propiedades de particular importancia en los usos estructurales, están la alta resistencia, comparada con cualquier otro material disponible, y la ductilidad.
5.5.3 Resistencia del acero
En todo diseño de acero se tiene en consideración la resistencia de fluencia del material. La resistencia de fluencia de diversos grados que están disponibles para el diseño como se puede ver en la tabla 5.7. La resistencia de fluencia es el mínimo valor garantizado por el productor de acero y que se basa en el promedio estadístico y la consideración del valor mínimo de fluencia obtenido mediante un gran número de pruebas. Así, para el acero A – 36, el valor garantizado es Fy = 2530 kg/cm2 (36000 lb/in2), y así como se puede observar en la tabla 5.7.
36 Leonilo Santiago Hernández Reticulares Estructuras Cascarón Formadas por placas o láminas. Algunos ejemplos son: cuerpo de un avión, Pipas, Tanques estacionarios, carros del tren o ferrocarril. Diseño de Armaduras para Techo
VI. ESTRUCTURAS
Una estructura puede concebirse como un sistema, es decir, como un conjunto de partes o componentes que se combinan en forma ordenada para cumplir una función dada.
La función puede ser: salvar un claro, como en los puentes; encerrar un espacio, como sucede en los distintos tipos de edificios, o contener un empuje, como en los muros de contención, tanques o silos. La estructura debe cumplir con la función a la que esta destinada con un grado razonable de seguridad y de manera que tenga un comportamiento adecuado en las condiciones normales de servicio.
6.1 Clasificación de las estructuras
Conjunto de miembros alargados. Algunos ejemplos son: Las armaduras, Marcos rígidos, en donde su principal característica es que estas tienen trabes y columnas.
Reticulares Diferencias Cascarón 6.2 Causas principales de falla en estructuras de acero
Las causa principales de falla en estructuras de acero son: sismo (Falla frágil en conexiones soldadas), Fatiga, Vibración, Corrosión, Fuego, Viento y eventualmente explosiones.
6.2.1 Pandeo. Probablemente la causa que con mayor frecuencia ha provocado la
falla de estructuras metálicas es el pandeo de alguno de sus elementos o de la construcción en conjunto. La solución con relación a este tipo de falla es por consiguiente el contraventeo.
6.2.2 Daños en conexiones. Han sido causa frecuente de fallas en
construcciones metálicas. Estos defectos en gran cantidad de casos, se han debido a la omisión en planos y especificaciones de los detalles necesarios para fabricar las juntas y a la falta de los planos de fabricación y montaje que a partir de estos detalles deben elaborarse. La principal falla podría ser el detalle.
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Leonilo Santiago Hernández Diseño de Armaduras para Techo
6.1.2 Diferencia entre estructuras de cascarón y reticulares
No son funcionales por si mismas, estas necesitan trabes, columnas, techos, etc. Desempeñan un doble papel, ya que funcionan como cubierta funcional y son elementos de carga.
Diseño de Armaduras para Techo 38 Leonilo Santiago Hernández 6.2.3 Falla frágil. Bajo determinadas circunstancias una estructura puede fallar en forma repentina sin muestras de deformación previa y a esfuerzos mucho mas bajos a lo que en teoría, debieran de producir. Esto ocurre en materiales frágiles, a bajas temperaturas y en presencia de muescas, grietas, soldaduras mal ejecutadas u otros defectos del mismo tipo, en lo que se inicia la falla invariablemente. Algunos factores que influyen en la resistencia a falla frágil son: presencia de muescas, temperatura de servicio, estados de esfuerzos. Para minimizar la posibilidad de una falla frágil se recomienda lo siguiente: eliminar concentraciones severas de esfuerzos, suprimir en lo posible muescas, grietas o tomar medidas para impedir su propagación, anular puntos de soldadura entre otros. 6.2.4 Fatiga. Se presenta por ejemplo si una estructura se sujeta a cargas que varían cíclicamente puede fallar después de un número mas o menos grande de aplicaciones de carga aun bajo esfuerzos muy inferiores a los correspondientes al limite de fluencia del material. La falla por fatiga se presenta en tres etapas: se inicia una grieta microscópica, se propaga la grieta hasta su tamaño crítico y se excede la resistencia del elemento agrietado y se produce la falla. Se recomienda revisar periódicamente la construcción reparando defectos tales como muescas, grietas, corrosión y lugares de concentración de esfuerzos en que pudiera iniciarse la falla. 6.2.5 Vibraciones. Una estructura puede fallar por vibraciones cuando deja de servir a los fines a que fue destinada. Una vibración excesiva es, en ese sentido, una falla y debe por lo tanto, tomarse medidas durante el diseño para prevenirlas, así como establecer criterios para controlarlas si llegan a presentarse. La magnitud de la vibración depende de las características de la estructura y de la acción que la provoca. La rigidez es la que puede evitar que una estructura falle por vibraciones. 6.2.6 Corrosión. La mayor parte de los metales al exponerse al medio ambiente sin protección reaccionan con los elementos de este ambiente dando lugar así al fenómeno de corrosión. El producto de la corrosión se deposita sobre el material y este reduce su espesor. Los aceros resistentes a la corrosión son caros y es por ello que se recurre a otro procedimiento para protegerlos, se utilizan pinturas o compuestos asfálticos que lo
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aíslan o bien se protegen con una capa de zinc en el proceso denominado galvanizado. Para no tener efectos de la corrosión se recomienda mantenimiento.
6.2.7 Fuego. Para temperaturas grandes el acero debe aislarse terminantemente con
materiales resistentes al fuego. Los edificios de acero cuyas condiciones externas e internas no permiten que en caso de incendio se alcancen altas temperaturas (400°C) no requerirán en general ninguna protección y pueden considerarse resistentes al fuego.
6.3 Elementos Estructurales
Algunos de los elementos más comunes de que constan las estructuras son los siguientes:
6.3.1 Tirantes. Los miembros estructurales sometidos a una fuerza de tensión se
denominan tirantes. Debido a la naturaleza de esta carga, estos miembros son esbeltos y para formarlos se escogen perfiles redondos, rectangulares (varillas y barras), ángulos, canales, etc.,
6.3.2 Vigas. Las vigas son usualmente miembros horizontales rectos usados
principalmente para soportar cargas transversales a su eje. A menudos se clasifican según la manera en que están apoyadas.
6.3.3 Columnas. Los miembros que generalmente son verticales y resisten cargas
axiales de compresión se conocen como columnas.
Para columnas metálicas se suelen usar secciones tubulares y secciones de patín ancho y para las de concreto son usuales las secciones circulares y cuadradas con barras de refuerzo. En ocasiones, las columnas están sometidas a carga axial y a momento de flexión.
40 Leonilo Santiago Hernández Diseño de Armaduras para Techo
A continuación se muestran los perfiles comerciales utilizados en las estructuras de acero: Cuadro 6.1 Designación, usos principales e inconvenientes de los perfiles estructurales laminados
Diseño de Armaduras para Techo 41 Leonilo Santiago Hernández
Diseño de Armaduras para Techo 42 Leonilo Santiago Hernández
Diseño de Armaduras para Techo 43 Leonilo Santiago Hernández 6.4 Tipos de Carga actuantes en las Estructuras 6.4.1 Cargas de Gravedad Las cargas de gravedad incluyen todo tipo de carga, en virtud del peso, inducen esfuerzos en la estructura. Las principales son: el peso, el peso muerto, las cargas vivas y las cargas de nieve. 6.4.1.1 Cargas Es quizás la tarea mas importante y difícil que se debe estimar de manera precisa de las cargas que recibirá una estructura durante su vida útil. Después que se han estimado las cargas es necesario investigar las posibles combinaciones más desfavorables que pueden ocurrir en un momento dado. 6.4.1.2 Carga muerta o “Peso estimado de armaduras” Las cargas muertas son cargas de magnitud constante que permanecen fijas en un mismo lugar. Estas son el peso propio de la estructura y otras cargas permanentemente unidas a esta. Para diseñar una estructura es necesario estimar los pesos o cargas muertas de sus partes. Los tamaños y pesos exactos de las partes no se conocen hasta que se hace el análisis estructural y se seleccionan los miembros de la estructura, determinados de acuerdo con el diseño, deben compararse con los pesos estimados. Si se tiene grandes discrepancias, será necesario repetir el análisis y efectuar el diseño con una estimación mas precisa de las cargas. Una carga muerta estructural puede estimarse satisfactoriamente por medio de formulas basadas en los pesos y tamaños de estructuras similares. 6.4.1.3 Cargas vivas Las cargas vivas son aquellas que pueden cambiar de lugar y magnitud. Dicho simplemente, todas las cargas que no son muertas, son vivas. Las cargas que se mueven bajo su propio impulso como camiones, gente, grúas, etc., se denominan cargas móviles y aquellas que pueden ser desplazadas, como muebles, materiales en un almacén, nieve, etc., se denominan cargas movibles.
Diseño de Armaduras para Techo
Otras cargas vivas son aquellas causadas al construir, viento, lluvias, sismo, voladuras, suelos y cambios de temperatura.
6.4.1.3.1 Cargas de piso El peso mínimo de las cargas vivas que se debe usarse en el diseño de pisos de edificios. Los valores varían de ciudad en ciudad.
6.4.1.3.2 Cargas por hielo y nieve Las precipitaciones de hielo y nieve varían con el clima y cantidad retenida por una cubierta depende de su proporción y el tipo de superficie. Las cubiertas de madera, asbesto o similares retendrán mayor cantidad que las tejas planas o las metálicas. Una pulgada de nieve equivale aproximadamente a 2.44 kg/m2 (0.5 lb / pie2), pero puede ser mayor en elevaciones menores, donde la nieve es mas densa. Para los diseños de techos se usan cargas de nieve de 48.8 a 195.2 kg/m2 (10 a 40 lb / pie2); la magnitud depende principalmente de la pendiente del techo y en menor grado de la índole de la superficie de este. Los valores mayores se usan para techos horizontales y los menores para techos inclinados.
6.4.1.3.3 Lluvia El agua en un techo sin pendiente se acumula mas rápidamente que lo que tarda en escurrir, el resultado se denomina encharcamiento; la carga aumentada ocasiona que el techo se reflexione en forma de plato, que entonces puede contener mas agua, lo que a su vez causa mayores deflexiones. Este proceso continua hasta que se alcanza el equilibrio o el colapso de la estructura. El encharcamiento es un problema ya que puede llegar a causar fallas en el techo.
6.4.1.3.4 Cargas de impacto Las cargas de impacto las causan la vibración de las cargas móviles. Las cargas de impacto son iguales a la diferencia entre la magnitud de las cargas realmente generadas y la magnitud de las cargas consideradas como muertas.
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6.4.1.3.5 Cargas laterales Las cargas laterales son de dos tipos principales: de viento y de sismo. Las cargas de viento varían con la localidad geográfica, las alturas sobre el nivel del terreno, los tipos de terreno que rodean a los edificios, incluyendo otras estructuras y algunos otros factores. Las fuerzas de viento actúan como presiones sobre las superficies verticales a barlovento, como presiones o succiones sobre superficies inclinadas a barlovento (dependiendo de la pendiente) y como succiones sobre superficies planas y superficies verticales o inclinadas a sotavento (debido a la creación de presiones negativas o vacíos).
En muchas áreas del mundo son sísmicas y es necesario considerar en ellas las fuerzas sísmicas en el diseño de edificios tanto altos como bajos. Durante un sismo se presenta una aceleración en el terreno, la cual puede descomponerse en sus componentes horizontal y vertical. Generalmente, la componente vertical de la aceleración es insignificante, pero no así la horizontal que puede ser muy intensa.
6.4.1.3.6 Cargas longitudinales Las cargas longitudinales son otro tipo de carga que necesita considerarse en el diseño de ciertas estructuras. Al detenerse un tren sobre un puente o un camión en un puente carretero, se generan fuerzas longitudinales.
6.4.1.5 Otras cargas vivas
Existen otros tipo de cargas vivas que se debe de considerar, como lo son: presiones del suelo (como ejercidas por la presión lateral de la tierra en muros o las ejercidas verticalmente contra las cimentaciones), las presiones hidrostáticas (como la presión del agua sobre cortinas de presas, las fuerzas de inercia de grandes cantidades de agua durante un sismo y las subpresiones sobre tanques y estructuras de cimentación); las cargas de explosiones (causadas por explosiones, roturas de la barrera del sonido, armamentos); las fuerzas térmicas (debidas a cambios de temperatura que ocasionan deformaciones que, a su ves, generan fuerzas estructurales); fuerzas centrifugas (como las causadas en puentes curvos por camiones o trenes , etc.)
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Diseño de Armaduras para Techo 46 Leonilo Santiago Hernández VII. TECHOS
7.1 Definición
Se denomina cubierta o techo a la superficie entramada que cierra una edificación por su parte superior, destinada a proteger su interior de los agentes climatológicos dando una adecuada evacuación, a la vez que se asegura del agua de lluvia, proporcionando al mismo tiempo un aislamiento térmico acústico al conjunto así obtenido.
Los techos pueden ser permanentes o provisionales, dependiendo de los materiales de lo que estén elaborados. Para la elaboración de los techos existen desde: paja, sácate, tejamil, palapa, tablas, piedras, etc., hasta materiales de ladrillo, madera, plástico, asbesto, acrílico, lamina, concreto, etc.
Los techos en cuanto a su forma son: planos horizontales, planos inclinados y curvos. Los planos inclinados se manufacturan con una gran variedad de materiales y pueden ser de varias aguas.
7.2 Tipos de materiales para Techo
7.2.1 Techos de concreto
Los techos de concreto reforzado se construye de manera similar a los pisos de concreto reforzado y pueden ser sólidos, aligerados. Las losas para los techos se refuerzan frecuentemente con varillas de acero en ambas direcciones, las varillas mas largas siguen el claro y deban empotrarse en los muros cuando menos 100mm. Por lo general la losa tiene un acabado horizontal y el declive se obtiene con una plantilla, posiblemente una con un agregado ligero para mejorar el aislamiento térmico. Se pueden instalar respiraderos para eliminar el aire atrapado y la humedad proveniente de abajo de la cubierta del techo.
Diseño de Armaduras para Techo 47 Leonilo Santiago Hernández 7.2.2 Techos hechos a base de vigas y tablas de madera Para lograr este tipo de techumbre se utilizan, por lo general, vigas de madera de ocote y oyamel de 10×20 cm como base para recibir tabla de ¾"x4"x6" traslapados 2" y clavados con clavos de 1 ½ " y como impermeabilizante se utiliza chapapote liquido. 7.2.3 Techo tierra-cemento La construcción de esta techumbre es muy económica y practica para lugares rurales, además, presenta la ventaja de ser muy fresca y mantener temperaturas muy agradable en lugares calurosos, se emplean vigas de madera de escuadras variables con separación aproximada de 40 a 60 cm centro a centro. Una vez colocadas se clavan o se amarran sobre tablas, varas, tejamil, carrizos u otate en sentido contrario de las vigas, para posteriormente sobre estas hacer una cama con varas o bambú delgado lo más cerrado posible, para tender sobre esta cama una capa con una mezcla de tierra- cemento con un espesor de 5 a 10 cm. 7.2.4 Techo de teja de barro Este tipo de techumbre es muy recomendable para climas templados y calientes, ya sean húmedos o secos. Su construcción es sencilla y barata, los materiales que intervienen son las tejas de barro recocido deberán ser de aspecto uniforme y homogéneo, no deberá presentar grietas ni chipotes y pueden ser naturales, vibradas o pintadas. 7.2.5 Techo de bóveda Se construyen colocando vigas de madera sobre dos muros extremos con la pendiente adecuada y con separaciones variables entre la viga de 50 a 80 cm según el tamaño del ladrillo por colocar. La escuadra de las vigas están en razón directa al claro que van a cubrir. Las vigas quedaran bien asentadas y fijas en su lugar rellenando los huecos entre ellas con el material del muro y una mezcla del cemento cal-arena.
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7.2.6 Techo de teja de asbesto-cemento
La colocación de este tipo de material se hace, por lo regular, sobre una cubierta de madera con pendiente con respecto a la horizontal de 30° a 45° según el lugar. Deberá empezarse de abajo hacia arriba cortando con cerrote a la mitad la primera hilada de tejas, se cuidara el recto cuatrapeo de acuerdo con las indicaciones del fabricante, de tal manera que en un metro cuadrado entren 9 tejas de 40×40 cm y 16 de 30×30 cm. Para su fijación se emplean clavos o arpones especiales.
7.2.7 Techo de lámina de metal
Es importante señalar, que corporativamente con el asbesto, estas laminas no sufren fracturas ni grietas, pero no presentan aislamiento contra el frió y el calor, conviene su uso en naves de uso industrial y climas templados.
7.2.8 Techos de estructura mixtas
Primeramente se colocan láminas de metal siguiendo las indicaciones para techumbres de asbesto. Las canaletas de las láminas deben colocarse en sentido perpendicular en los apoyos que descansan, pues dicho objeto de las canaletas es mejorar la resistencia de las láminas.
Las cubiertas o techos, pueden ser simples, es decir cuando están formadas por elementos sustentantes de una sola clase, como son los pares de igual longitud, apoyados convenientemente y siguiendo la línea de máxima pendientes del techo.
Se denominan compuestas, cuando los elementos planos de las cubiertas o techos no son resistentes de por si para su sustentación, siendo por tanto preciso el empleo de las cerchas o armaduras.
Diseño de Armaduras para Techo Figura 7.1 Ejemplo de un Techo
7.3 Inclinación de las armaduras
7.3.1 Claro. El claro de una armadura es la distancia entre sus nudos extremos.
Cuando una armadura esta soportada por muros, generalmente se considera el claro como la distancia de centro a centro de los apoyos en estos muros.
Si la armadura forma un marco con columnas en los extremos, entonces el claro se toma como la distancia entre las caras exteriores de las columnas.
7.3.2 Peralte. Es la distancia vertical de la cumbrera a la línea que une los apoyos de
la armadura.
7.3.3 La inclinación. La inclinación de un techo se puede expresar de diferentes
maneras. Un método común es expresarla en términos de la relación del peralte al claro. Por ejemplo, una inclinación de un medio, indica que la armadura tiene como peralte la mitad del claro; un claro de 14.6 m (48 ft) un peralte de 3.6 m (12 ft) se conoce como una inclinación de un cuarto.
Otro método de designar la inclinación, es dar el ángulo que la cuerda superior hace con la cuerda con la cuerda inferior, por ejemplo 30° ó 45° de inclinación.
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Diseño de Armaduras para Techo 50 Leonilo Santiago Hernández Para armaduras simétricas, la base es la mitad del claro y frecuentemente, la inclinación se expresa como la relación del peralte a la base, generalmente en metro/metro. A menudo, a esta relación se le llama pendiente. La siguiente tabla presenta varias inclinaciones para los parámetros del techo y sus equivalencias en grados y en pendientes. Cuadro 7.1 Inclinación de Techos Se considera generalmente que una pendiente de 6:12 es probablemente la más económica para los claros usuales. Los techos se conocen como planos inclinados. Cuando la pendiente es menor de 2:12, se dice que el techo es plano. Como techos inclinados se conocen todos aquellos que exceden esta relación. Con mucha frecuencia la inclinación de un techo se determina por consideraciones estéticas o bien puede ser que la inclinación del techo este limitada por el tipo de material generalmente por consideraciones económicas. Se considera generalmente que una pendiente 6:12 es probablemente la mas económica para claros usuales. Los techos con inclinaciones fuertes deben resistir mayores cargas de viento y requieren el uso de una mayor cantidad de material para cubrir el techado, mientras que las inclinaciones menos fuertes originan mayores esfuerzos en los miembros de la armadura. 7.4 Partes de una armadura Una armadura esta compuesta por las cuerdas superiores e inferiores y por los miembros del alma. 7.4.1 Cuerda superior. La cuerda superior consta de la línea de miembros mas alta que se extiende de un apoyo a otro pasando por la cumbrera. Para armaduras triangulares, el esfuerzo máximo en la cuerda superior ocurre generalmente en el miembro contiguo al apoyo.
Peralt e od ave peri Co rda s Cuerda Vi gu as Miem armbros ura l alm ch tec sd Na Diseño de Armaduras para Techo
7.4.2 Cuerda inferior. La cuerda inferior de una armadura esta compuesta por la
línea de miembros más baja que va de un apoyo a otro. Como en la cuerda superior, el esfuerzo máximo en la cuerda inferior de armaduras triangulares, se establece en el miembro adyacente al apoyo.
7.4.3 Miembros del alma. Son los miembros que unen las juntas de las cuerdas
superior e inferior, y dependiendo de sus posiciones se llaman verticales o diagonales.
7.4.4 Tirantes. En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a
tensión.
7.4.5 Puntales. En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a
compresión.
7.4.6 Junta de talón y Cumbrera. La junta en el apoyo de una armadura
triangular se llama junta de talón, y la junta en el pico mas alto se llama cumbrera.
7.4.7 Nudos. Son los puntos en donde se unen los miembros del alma con la cuerda
superior e inferior. Cuerda superior ad de la
Nudo e la ntr u cue nte or Lar gu ero e et
ade de te o Panel
inferior
Claro ve ho
(En t re eje ) Riostra
Figura 7.2 Partes de una Armadura (Armadura tipo Howe).
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Leonilo Santiago Hernández
ue ior up aS Vig ue La da Cu rio Su Diseño de Armaduras para Techo
7.4.8 Nave ó Entreeje. Es la porción de un techo comprendida entre dos
armaduras. Puesto que los largueros de techo se extienden de armadura a armadura, la longitud de la nave corresponde a la longitud de un larguero de techo. Independientemente de la configuración que se emplea, la carga del techo se transfiere a los nudos de la armadura, generalmente por medio de los largueros.
7.4.9 Panel. Es aquella porción de una armadura que se encuentra comprendida
entre dos juntas consecutivas de la cuerda superior.
7.4.10 Larguero de techo. Es la viga que va de una armadura a otra descansando
en la cuerda superior. Uno de los tipos más comunes de estructuraciones de techos se muestra en la figura 7.2 (armadura tipo Howe) y en la figura 7.3. En este ejemplo la carga del techo se transfiere de la cubierta a las viguetas de techo; de estas a los largueros de techo y de los largueros de techo a los nudos de las armaduras. ue ta Cubierta La rg ro Cu e rd er Puntal Tirante
Figura 7.3 Techo formado por larguero, viguetas y la cubierta
Otra manera, mostrada es en la Figura 7.4, consiste en prolongar la cubierta de larguero a larguero omitiendo las viguetas de techo. Para este tipo de estructuración, el ahorro por la omisión de las viguetas se compensa por el espesor requerido por las placas de la cubierta. er pe r rg ro Cubierta Puntal
Tirante
Figura 7.4 Techo formado por largueros y cubierta 52
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Vig Cu aS ior Diseño de Armaduras para Techo
En la Figura 7.5 se indica otra estructuración que consiste en correr las viguetas de armadura a armadura omitiendo así los largueros de techo. Aquí las cargas se transmiten de la cubierta a las viguetas de techos y de estas a la cuerda superior de la armadura. Esto da por resultado que la cuerda superior quede sometida a esfuerzos de flexión, además de la compresión directa debida a las fuerzas transmitidas por los otros miembros de la armadura. e rd up er Cubierta ue ta Puntal
Tirante
Figura 7.5 Techo formado por Vigueta y cubierta
El tipo de armadura que se debe utilizar para un edificio dependerá, en primer lugar, del número de paneles. El número de paneles en la cuerda superior se determina por el claro permisible de los materiales que soportan al techo y la longitud de la cuerda superior entre los puntos del panel.
Para los tres modos indicados anteriormente, la longitud de los paneles comúnmente usados son respectivamente de 1.52 a 2.43 metros (5 a 8 ft), 2.43 a 3.35 metros (8 a 11 ft) y 1.52 a 1.83 metros (5 a 6 ft).
Las figuras 8.3, 8.4 y 8.5 representan algunos tipos de estructuraciones a base de piezas de madera, aclarando que igual podrían ser de acero. La longitud de los paneles depende en algo de que la construcción sea de madera o acero. Cuando las cargas de techo se transmiten por los largueros a los nudos de armaduras de acero únicamente, la longitud de los paneles de la cuerda superior es generalmente de 2.43 m (8 ft).
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Leonilo Santiago Hernández Diseño de Armaduras para Techo
VIII. ARMADURAS
Una armadura es una construcción reticulada conformada generalmente por triángulos formados por elementos rectos y que se utiliza para soportar cargas. Las armaduras pueden ser planas o espaciales. Ejemplos típicos de armaduras son: puentes, cerchas, torres de transmisión, cúpulas de estadios, etc.
Las armaduras pueden ser de cuerdas paralelas o de dos aguas. En el pasado las armaduras de techo a dos aguas probablemente han sido más usadas para construcciones de claros cortos y las armaduras de cuerdas paralelas para claros mayores. Sin embargo, la tendencia actual, ya sean claros grandes o pequeñas parece desentenderse de las armaduras a dos aguas y preferir las de cuerdas paralelas debiéndose el cambio a la apariencia deseada y quizás a la construcción mas económica de las cubiertas.
8.1 Configuració
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