Sistemas Estructurales II
Sistemas de superficie activa
Sistemas de Superficie Activa: estructuras en estado de tensión superficial, tales como las placas, membranas y cáscaras
Placas Los sistemas de entramado son particularmente eficientes para transferir cargas concentradas y para lograr que toda la estructura participe en la acción portante. Esta eficiencia se refleja no sólo en la mejor distribución de las cargas sobre los apoyos, sino en la menor relación espesor a luz de los entramados rectangulares. La relación espesor a luz en los sistemas de vigas paralelas empleados en la construcción corriente varía entre [1/10, 1/24], según el material de las vigas.
En el proyecto moderno de edificios de oficinas, es común apoyar las placas de piso sobre una pared exterior o sobre una serie de columnas y en el “núcleo” interno, dentro del cual se disponen los ascensores, conductos de aire acondicionado y otros elementos del sistema mecánico, eléctrico y sanitario. De esa manera se obtiene una zona de piso totalmente libre.
La unión entre columnas y placas debe proyectarse para absorber el llamado “punzonamiento” de las columnas y requiere a menudo el uso de capiteles o placas intermedias de distribución. A fin de evitar capiteles, se emplean conectores de corte de acero, para garantizar la transferencia de la carga desde la columna a la placa en el proyecto de hormigón armado. La eficiencia estructural de las placas puede aumentarse reforzándolas con nervaduras, eliminando así parte del material de la zona próxima al plano neutro sin tensiones. Las placas plegadas pueden hacerse de madera, acero, aluminio o concreto armado. Las de este último material son particularmente económicas, pues es posible preparar su encofrado con tablones rectos, o bien prefabricar las losas de concreto en tierra, izarlas hasta su lugar y conectarlas soldando las barras transversales en el pliegue, con lo que se evita la mayor parte del encofrado.
Membranas Una membrana es una hoja de material tan delgada que para todo fin práctico, puede desarrollar solamente tracción. Algunos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por pre-tensión producido por fuerzas externas o presión interna. El pretensado permite que una membrana cargada desarrolle tensiones de compresión hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de tracción incorporadas a ellas.
No obstante la inconsistencia de las membranas respecto a la mayor parte de los estados de tensión, el ingenio humano ha hallado maneras de utilizar membranas para fines estructurales, sobre todo debido a su bajo peso. La carpa del circo es una membrana capaz de cubrir decenas de metros, siempre que la tela cuente con adecuado sostén en parantes de compresión, estabilizados por riendas de tracción. Las carpas son útiles como cubiertas temporarias y aceptables como techos permanentes si son altamente pretensadas.
Cáscaras Se denominan estructuras resistentes por la forma a aquéllas cuya resistencia se obtiene dando forma al material según las cargas que deben soportar. Una membrana invertida y sometida a las mismas cargas para las cuales se le dio forma originariamente, seria una estructura de este tipo y desarrollaría sólo compresión, es decir, constituiría el antífunicular bidimensional de esas cargas
Su movilidad e incapacidad para resistir tensiones de corte o de compresión, restringen el uso de las membranas. Todas las desventajas de la acción de membrana se evitan conservando al mismo tiempo la mayor parte de sus ventajas en las cáscaras delgadas.
Las cáscaras delgadas son estructuras resistentes por la forma, suficientemente delgadas para no desarrollar tensiones apreciables de flexión, pero también suficientemente gruesas para resistir cargas por compresión, corte y tracción. Aunque se las ha construido de madera, acero y materiales plásticos, son ideales para construirlas en concreto armado. Las cáscaras delgadas permiten la construcción económica de cúpulas y otros techos curvos de formas diversas, gran belleza y excepcional resistencia, este tipo de estructura figura entre las expresiones más refinadas del diseño estructural.
Sistemas Estructurales II
Sistemas de altura activa
Los elementos sólidos y rígidos que se desarrollan principalmente en sentido vertical y están rigidizados frente a las cargas laterales y anclados firmemente a la tierra, pueden escoger cargas sobre su superficie útiles situadas a gran altura sobre el suelo y transmitirlas a la cimentación: sistemas de estructuras de altura activa, es decir rascacielos.
Los rascacielos se caracterizan por el sistema especial de absorber y trasmitir las cargas y por su rigidacion lateral. Para trasmitir las cargas, los rascacielos los rascacielos utilizan los mecanismos de los sistemas de forma, vector y sección activa a la hora transmitir las cargas. No poseen ningún mecanismo propio.
Los rascacielos no son una simple suma de sistemas de una planta y su comportamiento estructural tampoco puede explicarse como un gran voladizo colocado en vertical. Son sistemas homogéneos con problemas específicos y soluciones particulares.
Los sistemas estructurales de altura activa son el instrumento y el orden estructural para la construcción de rascacielos. Por este motivo, son determinantes para conformar los edificios y ciudades más modernos.
Los rascacielos exigen la continuidad de sus elementos que transmiten la carga hasta el suelo y, por ello, la concordancia de los puntos de concentración de cargas no puede basarse solo en criterios estáticos, si no también en una reflexión sobre la superficie útil.
Función Los sistemas de estructura activa son estructuras para controlar las cargas altas, es decir, su recepción, su trasmisión, a tierra y su posterior descarga (= cimentación de cargas)
1.- las cargas verticales en altura, es decir, por encima del nivel de suelo: cargas de cubiertas y de las plantas.
2.- las cargas horizontales debidas a la altura: empuje de viento y vibraciones.
Las cargas están presentes en todas las obras. Cuanto más alto es el edificio, mayor es la influencia de la estructura portante en su forma.
Son sistemas estructurales que recogen las cargas de los pisos horizontales colocados uno encima del otro y las transmiten verticalmente a los apoyos.
Debido a su altura y las acciones horizontales de viento y sismo, su estabilidad lateral es un componente principal de la edificación. Para el soporte de las cargas y su estabilidad se requiere una masa considerable en la sección de los apoyos o columnas, que reduce la disponibilidad arquitectónica de la planta del edificio.
Son las estructuras usadas en los modernos «rascacielos», que ya sobrepasan los 100 pisos de altura. Los sistemas de tubo, cercha vertical, tubo en tubo, núcleo- pantalla y combinaciones de ellos permiten soportar las grandes exigencias de los vientos y sismos en edificaciones en altura.
Esquema de los sistemas: tubo en tubo y tubos en paquete, adaptada
Los «sistemas de tubo» se basan en crear una estructura con columnas en la fachada poco separadas que se unen con las vigas en cada piso. Los elementos arquitectónicos de tipo vertical se vuelven estructurales, creando un sistema que actúa como un tubo perforado o una caja rígida que se proyecta en voladizo desde el suelo, bajo la acción de las fuerzas horizontales. Este sistema es denominado también de «fachada resistente». Las columnas trabajarán básicamente a tensión o compresión, suministrando la capacidad a volcamiento de la estructura, sin momentos flectores. Las torres del comercio en Nueva York de 102 pisos, tenían este sistema en acero estructural.
El sistema de«tubo en tubo» combina la «fachada resistente», con un núcleo rígido de concreto reforzado los dos sistemas se unen mediante un conjunto de vigas en cada piso; la planta básica de cada una de las Torres Petronas en Malasia, tienen este sistema en concreto reforzado de gran resistencia conformado con diez y seis (16) columnas circulares de concreto reforzado de alta resistencia ubicadas en el polígono cerrado exterior unidas al núcleo central por donde se disponen los ascensores y escaleras de las torres.
Sistemas Estructurales II
Sistemas de masa activa
Estructura de masa activa: estructura o miembro estructural que transmite las fuerzas externas aplicadas segun la masa y la continuidad del material que lo compone. Trabajan a flexion, tales como las vigas, pilares, dinteles y porticos
Sistemas Estructurales II
Sistemas de vector activo
Son estructuras que actúan principalmente mediante su forma material, lo que hace a Engel llamarlas de forma activa o sistemas estructurales en estado de tracción simple o compresión simple.
La característica de los sistemas estructurales de forma activa es que ellos vuelven a encauzar las fuerzas exteriores por medio de simples tensiones normales: el arco por compresión y el cable por tracción. La forma de los sistemas estructurales de forma activa coincide, en el caso ideal, precisamente con el flujo de los esfuerzos, y estos sistemas son, por tanto, el camino natural de las fuerzas. La trayectoria natural de los esfuerzos de un sistema de tracciones es el cable suspendido y la de un sistema de compresiones es el arco funicular. Cualquier cambio en las condiciones de carga o sustentación afecta a la forma de la curva funicular dando origen a una nueva forma estructural que responderá siempre a la funicular correspondiente a las cargas existentes en el caso del cable (estructura flexible). El arco funicular (estructura resistente) debido a su rigidez no cambiará su forma apareciendo diferencias entre el arco y su nueva curva funicular."
Las estructuras de vector activo comprenden las cerchas o armaduras; éstas son estructuras de miembros rectos, dispuestos triangularmente, con cargas concentradas aplicadas en los nudos, y con fuerzas internas de tensión y/o compresión. Las cerchas tienen gran versatilidad en su uso, pues le permiten al ingeniero una gran flexibilidad para adaptarse a las necesidades de un problema particular.
La cercha es una forma estructural relativamente reciente, atribuida a Palladio (siglo XVI), pero usada ampliamente en puentes de acero solo a partir del siglo XVIII. Permite soportar grandes cargas transversales, como en la acción de viga, pero con deflexiones y cantidad de material mucho menores.
Vector activo Los sistemas estructurales de vector activo son sistemas portantes formados por elementos lineales (barras), en los que la trasmisión de las fuerzas se realizan por descomposición vectorial, es decir, a través de una subdivisión multidireccional de las fuerzas. Sus elementos (cordones, barras) trabajan en un sistema mixto de compresión y tracción. Las características principales son : Triangulación y unión mediante nudos
Las estructuras de vector activo, presentan grandes ventajas como estructuras verticales para edificios de gran altura. Proyectados adecuadamente, pueden combinar las funciones estáticas de agrupamiento de cargas lineal, trasmisión directa de las cargas y rigidización lateral frente al viento. En este sistema se cambia la dirección de las fuerzas dividiendo las cargas en diferentes direcciones a través de dos o mas barras y las equilibran mediante las correspondientes reacciones vectoriales.
Los sistemas de vector activo tienen grandes ventajas como sistema estructural vertical para edificios de gran altura. Compuestos de forma conveniente pueden combinar las funciones estructurales de agrupación lineal de las cargas, de transmisión directa de éstas, y de estabilidad lateral contra el viento.
Los sistemas estructurales de vector activo, a causa de sus ilimitadas posibilidades de expansión en las tres dimensiones con elementos normalizados y con un mínimo de obstrucción del espacio, constituyen la forma estructural conveniente para las dinámicas ciudades del futuro.
Sistemas Estructurales II
Sistemas de forma activa
Estructura que su desempeño se ve afectado por su forma, utilizando principalmente cable y tensores; esto significa que todo sistema estructural es de forma activa.
