La estructura de los edificios. Enric Barba Casanovas

Transcripción

1 La estructura de los edificios Enric Barba Casanovas

2 Título: La estructura de los edificios Autor: Enric Barba Casanovas Ilustraciones: Enric Barba Casanovas David Barba Teodoro ISBN-13: ISBN-10: Depósito legal: A Edita: Editorial Club Universitario Telf.: C/. Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante) Printed in Spain Imprime: Imprenta Gamma Telf.: C/. Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante) gamma@gamma.fm Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de información o sistema de reproducción, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright

3 Índice Presentación Introducción El edificio La estructura Acciones que debe suportar la estructura Los materiales y su comportamiento mecánico Elasticidad, plasticidad y fragilidad Deformación y rotura de los materiales El terreno Comportamiento mecánico y unidades de medida Tipos de suelo Principios básicos de comportamiento El agua en el terreno La consolidación de los suelos deficientes Los estudios geotécnicos La Cimentación La cimentación directa Cimentaciones profundas Cimentación de edificios de gran altura... 96

4 5 Los elementos verticales Pilares, columnas y muros de carga Su funcionamiento como transmisores de cargas gravitatorias El viento y las acciones sísmicas Los muros de contención Elementos horizontales Elementos simples Los elementos superficiales La estructura en conjunto La estructura en la construcción popular tradicional Los sistemas abovedados Comportamiento frente a los seísmos Los entramados de la construcción actual El cálculo de la estructura La documentación de la estructura Construcción de la estructura tradicional Materiales Los elementos verticales Los arcos y las bóvedas Los forjados y elementos de cobertura La modernización de la construcción tradicional

5 9 Construcción de la estructura metálica Los materiales Los perfiles Medios de unión Los nudos La construcción de naves Comportamiento Edificios de varias plantas Actuaciones en edificios existentes La cimentación Construcción actual de la estructura de madera Los materiales Normativa Las uniones Los sistemas estructurales La cimentación La madera y la ecología Construcción de la estructura de hormigón armado El hormigón El hierro El encofrado Diseño de las armaduras La estructura mixta acero-hormigón La estructura prefabricada de hormigón Proceso de ejecución Transporte y vertido del hormigón Cuidados durante el endurecimiento El desencofrado

6 12 Construcción de cimentaciones de hormigón armado Cimentaciones superficiales Cimentaciones profundas Bibliografía recomendada

7 Presentación Este libro está destinado, en principio, a los alumnos de la Diplomatura en Estudios Inmobiliarios y, por extensión, a todas las personas que aun trabajando en el sector de la Construcción, no están implicadas en los trabajos de edificación y están interesados en conocer en líneas generales cómo es, funciona y se construye la estructura de un edificio. Para ello se ha buscado la sencillez y la asequibilidad, huyendo en lo posible de tecnicismos. Sin embargo se han introducido términos de uso general en las obras para que el lector los conozca y se habitúe a ellos. Se pretende que se entienda la lógica de todo el proceso, desde el diseño, el por qué se calcula de una determinada forma hasta cómo se construirá, sin por ello entrar en complejos planteamientos matemáticos. Ante el vastísimo panorama de sistemas y soluciones estructurales existente en la actualidad se ha optado por circunscribir el estudio a los sistemas más empleados o conocidos actualmente en España por ser los que el interesado se va a encontrar habitualmente. Alicante, Octubre de 2006

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9 I - Bases -

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11 1 Introducción 1.1 El edificio Un edificio es algo destinado a cobijar a seres humanos, sus enseres y/o animales, para protegerles de las inclemencias naturales (frío, calor, viento, etc.) y de la agresión de otros seres humanos o animales (guerras, robos, etc.). Para materializar esta protección el edificio consta de unos cerramientos verticales y una cubierta que lo envuelven a modo de piel. Además, el edificio, para cumplir su misión, debe de disponer de espacios por donde transitar las personas y poder dejar sus enseres. Para ello se suele organizar por plantas, a veces una sola o varias superpuestas, para ganarle espacio al suelo, conectadas entre sí y con el exterior mediante rampas, escaleras o ascensores. A su vez, cada una de las plantas, en función de las necesidades, suele dividirse interiormente en locales y estancias, mediante particiones interiores. Estas particiones son de diverso tipo y jerarquía; así las de menor entidad son los tabiques que separan estancias con un mismo uso entre sí, siguiendo las que separan estancias de usos distintos y en un nivel más alto las que separan distintas propiedades o que delimitan una propiedad respecto a los elementos comunes de circulación del edificio. 1.2 La estructura La estructura es la parte del edificio cuyo cometido es sostener todas las partes antes citadas y asegurar que éste sea estable físicamente y que esta estabilidad se mantenga a lo largo del tiempo, todo ello dentro de unos límites razonables. Así, la estructura de un edificio constará generalmente de los siguientes elementos: 11

12 Introducción La cimentación, que es el conjunto de elementos que hace posible que el edificio descanse en el suelo, para que este apoyo sea estable y duradero. Los elementos verticales que se apoyan en la cimentación y reciben las cargas de las distintas plantas. Los hay de distintos tipos; así tenemos los pilares y columnas, que son elementos lineales, y los denominados muros de carga, que son elementos planos que sirven como elemento estructural y a su vez como cerramiento o partición. Los forjados y las losas, que son elementos planos sensiblemente horizontales o a veces deliberadamente inclinados que a su vez se apoyan en muros o pilares. La distinción entre los términos forjado y losa es sutil y responde a la estructura interior de los mismos; así, se considera losa a un elemento absolutamente macizo y uniforme, mientras que un forjado posee una estructura interna a modo de nervios que permite aligerarlo. Su uso es muy variado, pudiendo servir para conformar los siguientes elementos: La cubierta del edificio. Los elementos fijos de circulación interior (escaleras y rampas). El suelo de cada una de las plantas. Dentro de este grupo cuando un forjado tiene el cometido de separar la planta baja del terreno se le denomina forjado sanitario. 12

13 La estructura de los edificios Los entramados, que suelen ser elementos complejos formados por muchos elementos lineales unidos entre sí (a modo de esqueleto) con usos variados tales como soportar la cubierta o salvar una distancia muy grande. Un edificio común de planta baja tiene un suelo (con forjado sanitario o sin) y una cubierta (ya sea mediante un forjado o con un entramado). Un edificio de varios pisos suele tener un suelo, varios forjados intermedios (uno por cada piso) y una cubierta. Todo ello con unos pilares y/o muros que hacen de nexo entre la cimentación y los elementos citados. Hay edificios singulares que no cumplen este esquema; así tenemos los monumentos u otras construcciones para usos específicos que no suelen estar organizados por plantas y disponen de pasillos y escaleras interiores para su visita (la Torre Effiel, los faros, etc.). En ellos también suele haber forjados, pero con un papel muy secundario. 13

14 Introducción 1 Cerramientos verticales 2 Cubierta 3 Planta intermedia 4 Escalera 5 Partición interior 6 Cimentación 7 Pilar 8 Muro de carga 9 Forjado intermedio 10 Forjado de cubierta 11 Forjado sanitario Losa de escalera Figura

15 La estructura de los edificios 1.3 Acciones que debe suportar la estructura Para diseñar, calcular y dimensionar una estructura debemos de estimar qué cargas actúan sobre ella con el mayor grado de aproximación posible. En nuestro pais, en la normativa de obligado cumplimiento dentro del ámbito de la construcción: el 'Código Técnico de la Edificación' y dentro de él, en el 'Documento Básico Seguridad Estructural' (DB-SE), se engloban las normas que indican cómo se deben de considerar y evaluar las acciones que recibe el edificio. Son las siguientes: DB-SE-AE Acciones en la Edificación', que trata de las acciones en general. NCSE-02 Norma de Construcción Sismorresistente', que trata del diseño y cálculo de la estructura de los edificios frente a las acciones sísmicas. Y a nivel europeo también existen unas normas que cumplen el mismo cometido: Eurocódigo 1 Bases de Proyecto y Acciones en Estructuras'. Eurocódigo 8 Disposiciones para el Proyecto de Estructuras Sismorresistentes.' Esta duplicidad de normas es común en la Comunidad Europea. Así, las normas que redacta cada país individualmente sólo son de uso en el ámbito de su territorio y las Euro-Normas aun siendo potestativas permiten a cualquier técnico intervenir más cómodamente en una obra sea cual sea el país (dentro de la Comunidad). Las autoridades y organismos de control de todos los países comunitarios están obligados a aceptar los proyectos que cumplan los Eurocódigos, aunque pudiera darse el caso de que entrara en contradicción con sus normas nacionales. 15

16 Introducción Unidades de medida Tradicionalmente, en el mundo de la construcción español se han venido empleando para designar las cargas el Kilopondio y el metro. Así, una carga repartida en una superficie se designaba en Kp/m 2. En toda Europa de emplea actualmente para este cometido el Sistema Internacional de Unidades, el cual contempla que las fuerzas se expresarán en Newtons y las longitudes en metros (o sus múltiplos y submúltiplos). Esta convención es fruto del esfuerzo de los representantes del mundo científico y técnico para conseguir un sistema uniforme con la ambición puesta en que sea universal, para que cualquier persona sea capaz de interpretar un documento técnico, sea del país que sea. La normativa reciente española, fruto del interés en la armonización con los demás países de Europa, establece como obligatorio el empleo del sistema internacional.. Sin embargo no es infrecuente encontrar técnicos que siguen empleando los kilopondios. Para que la persona habituada al sistema tradicional comprenda las magnitudes que se manejan, a continuación se inserta una tabla de equivalencias entre las unidades empleadas tradicionalmente y las del S.I. que se vienen empleando para los mismos casos. 16

17 La estructura de los edificios Sistema Internacional Sistema MKS Cargas puntuales KN Kp Cargas lineales KN/m Kp/m Cargas superficiales Peso específico de un material Comentario Acciones aplicadas en un punto concreto Ejemplo: la maquinaria de un ascensor sobre su losa de apoyo Acciones aplicadas a lo largo de una línea Ejemplo el peso de un muro encima de un forjado KN/m 2 Kp/m 2 Acciones aplicadas sobre una superficie Ejemplo: el peso del pavimento en una planta KN/m 3 Kp/m 3 Unidades accesorias para el cálculo de cargas Tabla 1 Para el paso de las unidades enumeradas del sistema tradicional al internacional, en cualquiera de los cuatro casos habrá que efectuar una división entre 100 y viceversa Tipos de cargas y estimación de sus valores El conocimiento de estos valores es de gran utilidad para poder reflexionar sobre la magnitud de las cargas a que sometemos habitualmente una estructura y la previsión que se hizo cuando se calculó ésta. No es inusual que un edificio esté sometido en un momento de su vida a acciones de mayor magnitud de las que se tuvieron en consideración cuando se diseñó. Algunas acciones se pueden evaluar directamente a partir del peso específico de los materiales que se emplean y en el caso de que esto no fuera posible se recurre a una estimación siempre del lado de la seguridad. Según su origen las normas establecen una clasificación sistemática. 17

18 Introducción Acciones permanentes Como su nombre indica, se denominan así las cargas que gravitan en el edificio de forma permanente. La siguiente tabla muestra una clasificación de las mismas y su cuantificación aproximada. Peso propio de la estructura Peso del pavimento Peso del cielo raso Peso de los elementos no estructurales de la cubierta Peso de los cerramientos y divisiones excepto los tabiques interiores de pequeño espesor Tabiques interiores Valores usuales de 2,00 a 4,50 KN/m 2 de 0,50 a 1,10 KN/m 2 de 0,10 a 0,30 KN/m 2 de 0,50 a 3,00 KN/m 2 de 2,50 a 8,00 KN/m de 0,80 a 1,00 KN/m 2 Otras cargas permanentes - Comentarios Se contempla habitualmente como un tanto por metro cuadrado incluyendo los forjados y la parte proporcional de elementos verticales (pilares y/o muros), aunque puede medirse exactamente. Aunque la norma lo estime así, la realidad es que un pavimento de terrazo habitualmente pesa alrededor de 1,60 KN/m 2 El cómputo es por metro lineal de cerramiento. Aplicado como una carga superficial uniforme En viviendas se tomará 1,00 KN/m 2 Cualquier carga fija que no entre en los grupos anteriores (empujes del terreno, maquinaria fija, etc.). Tabla Acciones variables Se denominan así las cargas que pueden variar en su magnitud o en su duración. Son más inciertas en su medida que las anteriores y para ello se suelen basar en estimaciones y cálculos estadísticos intentando siempre estar del lado de la seguridad. Se clasifican según su procedencia. 18

19 La estructura de los edificios Sobrecarga de uso Estimada en un tanto por metro cuadrado que incluye el peso de personas, mobiliario, electrodomésticos, etc., en función del uso a que se destine cada parte del edificio. Transcribimos la tabla 3.1 del DB SE-AE en la que se indican los valores exigidos por dicha norma. Categoría de uso Subcategoría de uso Carga uniformemente repartida (KN/m 2 ) Carga concentrada (KN/m) A Zonas residenciales A1 Viviendas y zonas de habitaciones en hospitales y hoteles 2 2 A2 Trasteros 3 2 B Zonas administrativas 2 2 C1 Zonas con mesas y sillas 3 4 C Zonas de reunión (con la excepción de las superficies pertenecientes a las categorías A, B y D) C2 Zonas con asientos fijos 4 4 C3 Zonas sin obstáculos que impidan el libre movimiento de las personas como vestíbulos de edificios públicos, administrativos, hoteles; salas de exposición en museos; etc. 5 4 C4 Zonas destinadas a gimnasio o actividades físicas 5 7 C5 Zonas de aglomeración (salas de conciertos, estadios, etc.) 5 4 D Zonas comerciales D1 Locales comerciales 5 4 D2 Supermercados, hipermercados o grandes superficies 5 7 E Zonas de tráfico y de aparcamiento para vehículos ligeros (peso total < 30KN) Tabla 3 F Cubiertas transitables accesibles sólo privadamente 1,5 1,5 G Cubiertas accesibles G1 Cubiertas con inclinación inferior a 20º 1 1,5 únicamente para conservación G2 Cubiertas con inclinación superior a 40º 0 1,5 19

20 Introducción Interpretación de la tabla y puntualizaciones adicionales: Para el cálculo general conjunto de la estructura se tendrán en cuenta los datos de la columna 'Carga uniformemente repartida'. Además, cada uno de los elementos de la estructura, de forma local e independiente, se comprobará que es capaz de soportar una carga cuya cuantía será la indicada en la columna 'Carga concentrada' situada en cualquier posición a lo largo y ancho del elemento. Como excepción, en el caso de la categoría de uso E, la comprobación local será parecida pero con 2 cargas de 10 KN separadas entre sí 1,80 m. que se tendrán en cuenta además de la carga repartida, para simular de alguna forma la distribución de cargas en un vehículo en circulación. Figura 2 En la categoría G, cuando tenemos un elemento con una pendiente intermedia entre el 20% y el 40%, el valor de la carga se obtendrá interpolando entre los indicados para las subcategorías G1 y G2. En zonas de evacuación, acceso y circulación comunes en edificios de la categoría A y B, se incrementará la carga uniforme en 1 KN/m 2. Los balcones y terrazas volados se considerarán con el mismo uso que las dependencias desde las que se accede, añadiéndosele una sobrecarga lineal en el borde de 2 KN/m. En las zonas de almacén o biblioteca deberá colocarse una placa indicando con qué sobrecarga máxima se ha calculado el edificio o planta así como la distribución prevista para la misma. 20