Capítulo 5: Diseño de las Cargas. Diseño de las cargas en edificios - Jorge Bernal. 1. Las variables del diseño. Capítulo 5: Diseño de cargas 1

Transcripción

1 Capítulo 5: Diseño de las Cargas 1. Las variables del diseño. Traza o delineación de un edificio o de una figura. Proyecto, plan. Esto dice el diccionario sobre la palabra diseño. Es uno de los vocablos más difíciles de explicar porque posee aplicación en casi todos los órdenes de la actividad humana. Hablar de diseño de las cargas es aún más arduo; en general se piensa que se diseñan los edificios, pero no las cargas. La realidad, desde las ciencias de la construcción nos entrega un concepto inverso; solo cuando las cargas están bien estudiadas y proyectadas, es posible un buen diseño de arquitectura. Por supuesto además está variable estética y de funcionalidad. No vamos a copiar todas las palabras que están en los globos que rodean la palabra diseño. Es conveniente leerlas y pensar en ellas 1

2 para entender la compleja combinación que se debe realizar para realizar un acto de buen diseño. El problema reside en que no participan de manera individual o aislada. Cada globo ingresa al diseño conectado con los otros. La tarea de diseño es por sobre todas las cosas una labor que necesita de tiempo, lo mismo que el arte. Pensar en las cargas no tiene horarios fijos, los tiempos pueden ser largos. Ayuda la experiencia y el conocimiento; en los casos donde son escasos se debe consultar, preguntar. En resumen, antes de finalizar y proyecto de arquitectura y mucho antes de comenzar el cálculo del edificio se deben agotar las tareas del diseño de cargas. Juntos los profesionales de la arquitectura y de la ingeniería. En este trabajo de estudio de cargas se presentarán otros capítulos sobre diseño, por ahora, éste es el primero. 2. General La variedad y clasificación. Para la construcción de un edificio se necesita del proyecto arquitectónico y del estructural. En este capítulo analizamos la necesidad de también aplicar el diseño de las cargas. El diseño en todos los edificios, desde la cubierta, la estructura, los cerramientos, las fundaciones se lo efectúa de acuerdo a las cargas. En la ingeniería y la arquitectura no es posible diseñar o proyectar sin antes conocer las fuerzas que actuarán sobre el objeto del diseño. Así de simple; no puede existir proyecto sin esa variable. Saber controlarlas y componerlas hasta lograr un equilibrio estable es arte. El ser humano las conoce, él como individuo es parte del universo gravitatorio, de los vientos y de los sismos; posee sensibilidad La voluntad del hombre y las cargas. Analizamos cada una de las cargas y los niveles de libertad que ofrecen al proyectista para ejercer su capacidad de diseño. Peso propio: es función de la gravedad y de la cantidad de masa. La primera escapa de la voluntad del hombre; en el planeta Tierra la aceleración gravitatoria es constante. La segunda, la masa puede ser controlada mediante los espesores y la densidad de los materiales. Es la parte del peso propio que pertenece a la decisión del proyectista. Sobrecarga: similar a la anterior. Está en función del destino. Los valores nominales se indican en las tablas del Cirsoc R101. En todos los casos es necesario que el proyectista conozca las diferencias de valores entre el nominal y el real. Esto lo puede observar si compara las sobrecargas indicadas en el 4.1 del R101 (nominales) con las establecidas en la tabla C.4.2 de Comentarios del R101 (de inspección). 2

3 Viento: la masa del aire y su desaceleración al llegar al lateral del edificio son independientes de la voluntad del hombre. Solo una pequeña parte puede ser controlada por proyectista; la forma del edificio y su tamaño, esas variables pueden reducir el efecto viento. Sismo: similar al viento; la aceleración del terreno está separado de la voluntad del proyectista. Solo puede maniobrar con la masa del edificio y su centro de gravedad respecto del suelo. Agua, nieve, hielo: pueden ser controlados con las pendientes de las cubiertas y los sistemas de desagües. Impacto: en el caso del arranque y frenado de los ascensores son amortiguadas mediante resortes. Lo mismo que los grandes depósitos de aire comprimido dentro de las bolsas de neopreno para evitar el impacto de los buques contra el muelle. Térmicas: independientes del proyectista. Pero es posible controlarlas mediante las juntas de trabajo de la estructura. Como vemos en todos los casos, de alguna u otra manera es posible reducir el efecto de las cargas en función del diseño El reglamento y las cargas. El Cirsoc R101, reconoce sus limitaciones cuando establece lo siguiente: En el presente Reglamento se definen los términos más usados relacionados con las cargas permanentes y las sobrecargas de diseño, y se indican los valores mínimos a tener en cuenta en el cálculo de edificios y otras estructuras. No se incluyen las cargas de origen climático ni las solicitaciones provenientes de coacciones; sin embargo, debido a la brevedad del tema y a su extensa aplicación, en el Anexo se presentan las cargas de lluvia. El reglamento establece cuestiones generales. En el párrafo anterior indica que no se incluyen todas las cargas. Esta advertencia destaca la necesidad del diseño de todas las cargas por parte del proyectista Los valores indicados en este Reglamento son valores nominales. Excepto en los casos específicamente indicados, estos valores no incluyen los efectos dinámicos inherentes a la función de las cargas, los que se deben analizar en los casos en que corresponda. El valor nominal significa que es un valor teórico, no real, aceptado como posible máximo en la historia del edificio. Más adelante, en el presente trabajo se incorpora un capítulo Sobrecargas en el cual analizamos en profundidad estas cuestiones. La normativa del Cirsoc R101 debe servir como guía, pero no debe desplazar la tarea del riguroso control y análisis de todas las cargas que pueden actuar sobre el edificio. 3. Entrepisos y diseño Construcción húmeda y seca. La mayoría de los entrepisos se ejecutan con la mezcla de cemento, piedra, arena, hierro y agua. Son los llamados de construcción húmeda porque requiere un tiempo de fraguado antes de su endurecimiento. Todos, sin excepción son pesados; su densidad oscila entre 3

4 los 16 a 22 kn/m 3 (cielorraso, losa, contrapiso, carpeta, piso). En algunas obras es posible utilizar otros tipos de estructuras para entrepisos más livianas, las denominadas construcción en seco. Los elementos estructurales en seco son prefabricados y ensamblados en obra. Vigas metálicas, correas y tablero de madera especial (multi laminados). También la estructura soporte del entrepiso puede ser totalmente de madera. Un entrepiso en seco puede pesar una décima parte del húmedo. Un entrepiso de losa de hormigón con su contrapiso oscila en los 5,0 kn/m 2, mientras que uno de placas con su estructura se encuentra en los 0,5 kg/m 2. También es válido el análisis de una pared interna de mampostería maciza de 0,15 metros, con su revoque pesa 2,5 kn/m 2 y la de doble tabique de yeso (Durlock) pesa 0,4 kn/m 2, es la sexta parte Contrapiso, sanitarios y escaleras. Es difícil imponer estos cambios en los sistemas constructivos. El hombre está afectado por la costumbre, por la tradición y considera que el único entrepiso es el ejecutado con hormigón armado. El problema acústico de los livianos o secos se soluciona mediante inyección de aislantes térmicos y acústicos celulósicos de muy baja densidad. El gran conflicto de los contrapisos son las escaleras, los balcones y los sanitarios. El peralte, la altura de primer o último escalón de escalera en ocasiones se lo ajusta con la altura de contrapiso. Pero se aumenta el espesor en toda la planta. En otros casos el proyecto de arquitectura olvida que los pisos de balcones deben tener un nivel más bajo que el del interior de los locales. También se resuelve con el contrapiso. Por último, para esconder las cañerías de desagües también se utiliza el espesor de contrapiso como recurso. En definitiva el contrapiso termina siendo el ítem donde se esconden los equívocos de la construcción. Enviar toda la cañería de sanitarios por debajo de losa y escondidas en cielorrasos suspendidos es una excelente solución para bajar pesos en el edificio. Los contrapisos utilizados en ocasiones para esconder las cañerías poseen valores de carga diez y más veces que la del cielorraso. De todos los elementos estructurales, el voladizo es el más sensible a los cambios de las cargas y de las longitudes. En la mayoría de los edificios los voladizos se materializan mediante balcones que dan al frente o fondo del edificio. La situación de colapso en los balcones, es repetida y desgraciada. Los usuarios, los propietarios, transforman a los balcones en lugares de acopio de planteros y macetas de elevado peso (no tenidas en cuenta en el origen) con el agravante de las aguas ácidas. Tanto que en la Argentina se ha aprobado una ley llamada ley de los balcones donde el poder legislativo ingresa en el área de la ingeniería y la arquitectura para establecer normas sobre el diseño y uso de los balcones. 4

5 4. Diseño comparativo de entrepiso Partes. El diseño de un entrepiso cuya estructura soporte sea una losa de hormigón, tiene muchas variables de diseño que las enumero (desde abajo hacia arriba) para no equivocarme: El cielorraso. La losa estructural resistente. El contrapiso. El mortero de asiento. El piso. Las paredes. Las sobrecargas. Arriba se mencionan siete elementos; cinco están indicados en el esquema. Las paredes y sobrecargas se analizan en función del destino. Un edificio para viviendas posee mayor cantidad de paredes divisorias que uno destinado a oficinas Ejemplo comparativo. En los esquemas y tablas que siguen se estudia una comparativa entre un entrepiso tradicional de losa maciza de hormigón con todos los elementos que habitualmente componen el paquete. En el otro análisis se realiza con una losa de viguetas pretensadas, ladrillones de poliéster expandido y mucho cuidado en la elección de los pisos, contrapisos y cielorrasos. Vea lector las diferencias que se obtienen. En estos análisis no se incorporan las sobrecargas de uso y las paredes. Entrepiso tradicional. Designación espesor Densidad MN/m2 Peso N 1 Piso granítico 0,02 2, Mortero asiento 0,02 2, Contrapiso 0,12 2, Losa hormigón 0,17 2, Cielorraso aplicado 0,02 2,0 400 Total N 7880 Total kn 7,88 5

6 Entrepiso alternativo. Designación espesor Densidad MN/m2 Peso N 1 Piso liviano 0,01 0, Adhesivo 0,005 0, Carpeta cemento 0,015 2, Contrapiso liviano 0,06 1, Losa viguetas Cielorraso liviano 0,01 2,0 200 Total N 3300 Total kn 3,30 La diferencia entre el diseño tradicional y la alternativa es de 4,58 kn por metro cuadrado; es una cifra reducida, así, vista de manera individual. Pero si el edificio en altura, posee por ejemplo, metros cuadrados. Esa diferencia se transforma en kn ( toneladas) que resulta un valor muy alto, tanto que puede modificar y economizar no sólo la estructura soporte de vigas y columnas, sino también el sistema de fundación. 4.3 Resumen. Hemos maniobrado solo con las variables de densidad y volumen de los componentes de un entrepiso de hormigón. Dejamos de lado las sobrecargas, los coeficientes de seguridad, la no simultaneidad de los efectos. Si hubiéramos incorporado todos ellos, las diferencias de un entrepiso sin diseño y el otro con cuidadoso control resultaría más elevada. Para terminar, recordemos que el insumo de hormigón de losas en un edificio normal supera el 65 % del total. 5. Ejemplo de diseño; material y forma. En la mayoría de los casos, en la construcción de los edificios se buscan materiales livianos. El problema que los materiales estructurales de alta resistencia son pesados, como el hierro y el hormigón armado. En una zona intermedia se encuentra la madera, pero es material estructural de estructuras pequeñas. En proyectos especiales no queda otra alternativa que utilizar el hierro y el hormigón armado, entonces, en estos casos es necesario ajustar el proyecto arquitectónico al proyecto estructural. Para la explicación mostramos el ejemplo de un estadio de tenis. En el diseño predomina el aspecto estructural. En el corte la cubierta está sostenida por un conjunto de bielas y tensores. Los tensores externos indicados con vectores se anclan en un cabezal de hormigón y pilotes en el suelo. Composición y descomposición de fuerzas que logran sostener el techo desde arriba. Eliminado todas las columnas en el interior. Es tan eficiente el diseño estructural que el techo con su estructura resulta muy liviano. La contrapartida se encuentra en las cargas negativas de viento. 6

7 La estructura no puede sostener las fuerzas de succión. Para solucionar esta inestabilidad se utilizaron los pasillos técnicos suspendidos de la cubierta. Los pasillos que son utilizados para el mantenimiento de la cartelera, iluminación y sonido. El piso de esos pasillos, en vez de hacerlos con rejillas metálicas livianas, se utilizó bloques de hormigón de alto peso. Con ello, con esta elevada carga gravitatoria se puso a todo el sistema en pre carga. La necesaria para sostener las negativas de succión. 7