Proyecto básico: Coordinación del diseño estructural y arquitectónico para edificios de varias plantas con estructuras de acero

Transcripción

1 Proyecto básico: Coordinación del diseño estructural y arquitectónico para edificios de varias plantas con estructuras de acero Cubre la información requerida para la toma efectiva de decisiones realizadas en las fases iniciales del diseño de la estructura principal de un edificio de varias plantas. Índice 1. Distribución de columnas en planta 2 2. Influencia de la altura del edificio 4 3. Coordinación horizontal 4 4. Coordinación vertical : Alturas de planta a planta 7 5. Coordinación Vertical : Zona estructural 7 6. Coordinación vertical : Zonas de servicio 8 7. Opciones estructurales horizontales 8 8. Rangos para las luces de los sistemas estructurales Ventajas de la construcción con grandes luces Cantidades de Acero aproximadas 14 Página 1

2 1. Distribución de columnas en planta a distribución de columnas en planta define el espaciamiento de las columnas en direcciones ortogonales, las cuales están influenciadas por: a modulación (normalmente basada en múltiplos de 300 mm y típicamente 1,2 o 1,5m). El espaciamiento de las columnas a lo largo de la fachada, dependiendo del material de la fachada. El uso del espacio interno (i.e. para despachos o espacio abierto). os requerimientos para la distribución de los servicios del edificio (desde el núcleo del edificio). A lo largo de la línea de fachada, el espaciamiento de las columnas está normalmente definido por la necesidad de suministrar apoyo al sistema de cerramiento (por ejemplo, se requiere un máximo de 6 m normalmente para ladrillos). Esto influencia el espaciamiento interno de las columnas, a menos que se utilicen columnas adicionales a lo largo de la línea de fachada. a luz de las vigas a través del edificio normalmente se adapta a una de las siguientes configuraciones de distribución de columnas: ínea interna única de columnas, desplazadas fuera de la línea del corredor central. Pares de líneas de columnas en ambos lados del corredor. Para oficinas con ventilación natural, se utiliza por lo general un ancho del edificio de 12 a 16 m, el cual puede lograrse con dos luces de 6 a 8 m. a iluminación natural también juega un papel importante en la elección del ancho de la chapa de acabado de forjado. a distribución de columnas para una línea desplazada de columnas internas se muestra en la Figura 1.1. Alternativamente, pueden utilizarse grandes luces a fin de facilitar un incremento de la flexibilidad en la distribución en planta. Para oficinas con aire acondicionado, se utiliza frecuentemente una luz libre de 15 a 18 m, aunque para oficinas interiores (sin iluminación natural), puede asumirse una distribución de columnas de 9 9 m. Un ejemplo de distribución de columnas para el caso de un edificio con grandes luces con un atrio grande se muestra en la Figura 1.2. Página 2

3 E E 6 m 7.5 m S T T 13.5 m 6 m 48 m Clave: Ascensores; S Escaleras; T - Baños Figura 1.1 Distribución de columnas para una oficina con ventilación natural 15 m 30 m 7.5 m 7.5 m 15 m S S 15 m T T 45 m 7.5 m 7.5 m S E 60 m E Clave: Ascensores; S Escaleras; T - Baños Figura 1.2 Distribución de columnas para grandes luces en una oficina de alto standing con aire acondicionado Página 3

4 2. Influencia de la altura del edificio a altura del edificio tiene una influencia importante en: El sistema estructural que se adopte. El tipo de cimentación. os requisitos de resistencia al fuego y medios de escape. El acceso (por ascensores) y espacio de circulación. El sistema de cerramiento. a velocidad de construcción y productividad en la obra. El sistema estructural está influenciado principalmente por los medios para estabilizar el edificio. Para edificios de hasta 8 plantas de altura, se prefieren arriostramientos verticales, pero para edificios más altos, habitualmente se ubican estratégicamente núcleos arriostrados de acero o núcleos de hormigón. Para edificios extremadamente altos, se han utilizado muchos tipos de sistemas de refuerzos externos. Estos están fuera del alcance de esta información. El tamaño de los ascensores y su velocidad de desplazamiento también se convierten en factores importantes para edificios altos. Según los Reglamentos de seguridad contra incendios en un país en particular, el uso de rociadores puede requerirse en edificios de más de 8 plantas. 3. Coordinación horizontal a coordinación horizontal está influenciada por la necesidad en planta de zonas definidas para el acceso vertical, evacuación en condiciones de seguridad y distribución de servicios en vertical. os núcleos resultantes se usan para estabilizar el edificio y transmitir las acciones horizontales a la cimentación donde sea factible. a posición del núcleo está influenciada por: os sistemas de distribución horizontal para servicios mecánicos. os requisitos de resistencia a fuego, que pueden llevar al acortamiento de las rutas de evacuación, y a tamaños de compartimento más reducidos. a necesidad de distribuir los sistemas de estabilización estructural más o menos simétricamente a lo largo de la planta del edificio. a Figura 1.1 y la Figura 1.2 muestran una distribución típica que satisface estos criterios. a estabilidad global puede alcanzarse a través de arriostramientos verticales, o por núcleos arriostrados de acero o núcleos de hormigón para edificios altos. En edificios con núcleos de hormigón, las vigas frecuentemente se disponen directamente entre los pilares del perímetro del edificio y el núcleo de hormigón. Se requieren consideraciones especiales de diseño para: as uniones de las vigas al núcleo de hormigón. El diseño de vigas principales más pesadas en la esquina del núcleo. Página 4

5 Seguridad ante incendio y robustez en la construcción de grandes luces. En la Figura 3.1 se presenta una distribución típica de vigas alrededor del núcleo de hormigón, mostrando el uso de vigas más pesadas en la esquina del edificio. Se podría requerir una doble viga para minimizar el canto en las esquinas. 15 m 12 m 12 m 15 m Figura 3.1 Distribución de vigas alrededor del núcleo de hormigón Se puede incorporar un atrio para incrementar la iluminación del espacio ocupado y proporcionar áreas de circulación de gran valor tanto en plantas intermedias y como en planta baja. os requisitos de diseño para el atrio son: Apoyos para cubierta de gran luz del atrio. Rutas de acceso para circulación general. Medidas de seguridad ante incendio por extracción de humo y rutas de evacuación seguras. Niveles de iluminación y servicio para las oficinas interiores. Un ejemplo de la estructura de apoyo para un atrio usando tubo de acero curvado se muestra en la Figura 3.2. Página 5

6 Figura 3.2 Tubo de acero para apoyar el techo de un atrio. Página 6

7 4. Coordinación vertical : Alturas de planta a planta a altura entre planta y planta está basada en una altura de planta a techo de 2,5 a 2,7 m para oficinas comerciales, o 3.0 m para usos más importantes, más el canto de la planta dedicado a servicios. as siguientes alturas de planta a planta deberían tenerse en cuenta en la fase de diseño básico: Oficinas importantes 3,8 4,2 m Oficinas comerciales 3,5 4,0 m Proyectos de renovación 3,5 3,9 m Estos valores permiten un amplio rango de soluciones estructurales. Si, por razones de planificación, se requiere limitar la altura total del edificio, podría lograrse con el uso de forjados de canto reducido, o sistemas de vigas integradas. a construcción con forjados de canto reducido es frecuentemente utilizada en proyectos de renovación, en donde la altura de planta a planta está limitada por la compatibilidad con el edificio existente o la fachada. 5. Coordinación Vertical : Zona estructural Para propósitos de diseño básico, los siguientes ratios de luz:canto (de la viga de acero) pueden usarse para determinar el canto de la zona estructural: Vigas mixtas luz/canto 25 Vigas aligeradas luz/canto 25 Vigas principales armadas luz/canto 20 Forjados de canto reducido o vigas integradas luz/canto 25 El canto de la losa debería añadirse para definir la zona estructural completa (excepto para la construcción de forjados de canto reducido donde la losa y la viga tienen el mismo canto). Resulta así que, para una viga mixta de 12 m de luz, el canto de la viga es de 480 mm más una losa de espesor de 120 a 150 mm, da aproximadamente 600 mm. El espesor para protección contra incendios y la deformación permitida también deben incluirse (nominalmente 30 mm). Página 7

8 6. Coordinación vertical : Zonas de servicio Donde las zonas estructurales y de servicio estén separadas verticalmente, se debe añadir lo siguiente a la altura estructural: Suelo técnico 150 a 200 mm Equipos de aire acondicionado 400 a 500 mm Techos e iluminación 120 a 250 mm Sin embargo, se pueden lograr reducciones significativas en la altura total, a través de la integración vertical de la estructura y las zonas de servicio. Esto es particularmente efectivo para la construcción con grandes luces. A efectos de un diseño básico, se pueden utilizar las siguientes alturas: Construcción mixta mm Vigas alveolares (con integración de servicios) mm Forjados de canto reducido o vigas integradas mm 7. Opciones estructurales horizontales as opciones estructurales más adecuadas para vigas son: Vigas mixtas (con forjado mixto) uces de 6 a 13 m Vigas no mixtas (con losas prefabricadas) uces de 6 a 9 m Vigas mixtas parcialmente embebidas uces de 6 a 12 m Vigas aligeradas o armadas (con forjado mixto) uces de 8 a 18 m Forjados de canto reducido o vigas integradas uces de 5 a 9 m Estas opciones estructurales están ilustradas en la Figura 7.1. Página 8

9 (1) (2) (3) (4) Clave: 1. Viga mixta 2. Vigas parcialmente embebidas 3. Vigas integradas 4. Viga con forjado de canto reducido Figura 7.1 Formas de construcción usadas en forjados as vigas mixtas sostienen los forjados mixtos, los cuales se disponen entre las vigas. Para el diseño de distribuciones ortogonales, se pueden considerar dos métodos generales: Vigas secundarias de mayor luz apoyadas sobre vigas principales de menor luz (ver la Figura 7.2). En este caso, los tamaños de la viga pueden seleccionarse para que las vigas primarias y secundarias sean de aproximadamente igual canto. Vigas principales de mayor luz, sosteniendo vigas secundarias de menor luz (ver la Figura 7.3). En este caso, las vigas principales son de canto relativamente grande. as vigas aligeradas son más eficientes cuando son utilizadas como vigas secundarias de mucha luz, mientras que las vigas armadas son más eficientes como vigas principales de mucha luz, donde las fuerzas cortantes son más altas. También, es posible eliminar las vigas secundarias usando el forjado mixto en la dirección de mayor luz con las vigas principales unidas directamente a las columnas. Página 9

10 9-15 m 6-9 m Figura 7.2 Disposición típica de vigas secundarias en el tramo de mayor luz (dirección del forjado indicada) Página 10

11 9-15 m 6-9 m Figura 7.3 Disposición típica vigas principales en el tramo de mayor luz y vigas secundarias en el tramo de menor luz. (dirección del forjado está indicada) as vigas integradas son un caso especial en el que las vigas se disponen directamente entre las columnas, eliminándose las vigas secundarias. Estas vigas generalmente se usan en distribuciones cuadradas, como lo ilustrado en la Figura 7.4. a losa se apoya sobre el ala inferior o sobre la extensión del ala inferior de la viga y puede ser un forjado mixto de gran canto o una losa aligerada de hormigón prefabricado. Página 11

12 5-9 m 6-9 m (3) (1) (2) eyenda: 1. Vigas integradas 2 Elemento de atado 3 Forjado mixto de gran canto o un forjado de losas aligeradas prefabricadas de hormigón Figura 7.4 Vigas integradas o forjados de canto reducido (se indica la dirección losadle forjado) 8. Rangos para las luces de los sistemas estructurales El rango para las luces de varias opciones estructurales tanto en acero como en hormigón está definido en la Figura 8.1. as opciones de acero de gran luz generalmente mantienen la integración de servicios y se logran luces mayores de 12 m. as vigas aligeradas y las celosías mixtas son más eficientes para vigas secundarias de gran luz, mientras que las vigas armadas son más apropiadas para las vigas principales. Página 12

13 osa plana de hormigón armado Vigas con forjado de canto reducido y forjados mixtos de gran canto Vigas integradas con losas prefabricadas Vigas y losa de hormigón armado osa plana de hormigón postensado Vigas y losa mixtas Vigas armadas con el alma aligerada Vigas mixtas aligeradas Celosías mixtas Tramo (m) Figura 8.1 Rango de luces para varias opciones estructurales 9. Ventajas de la construcción con grandes luces as vigas de gran luz han ganado popularidad en el sector de edificios comerciales porque ofrecen las siguientes ventajas en el diseño y construcción: Se eliminan las columnas interiores, logrando un uso más flexible y eficiente de espacio interior. Pueden integrarse los servicios dentro del canto de la estructura, de tal forma que la altura de planta a planta no se incremente. Se requieren menos componentes (en general 30% menos vigas) logrando reducciones en los tiempos de construcción e instalación. os costes de protección contra incendios pueden reducirse debido a la masividad de los miembros de longitud mayor. Para las vigas aligeradas, los conductos redondos múltiples para los servicios son más baratos que los conductos rectangulares. No se aumentan significativamente los costes para construir la estructura de acero, a pesar de tener luces más largas. En conjunto, los costes del edificio se incrementan en una cantidad despreciable (menos del 1%). Página 13

14 10. Cantidades de Acero aproximadas Para propósitos de estimación en el diseño de edificios de oficinas, pueden utilizarse pesos típicos de acero por unidad de área para edificios de planta rectangular. Estas cantidades aumentarán significativamente para edificios no rectangulares o altos, para edificios con atrios o con fachadas complejas.. as cantidades aproximadas se presentan abajo, y están expresadas en términos del área total de la planta del edificio, y no incluyen la estructura de acero usada en la fachada, atrio o cubierta. Table 10.1 Cantidades de acero aproximadas para propósitos de estimación. Forma del edificio Edificio de 3 o 4 plantas de forma rectangular Edificio de 6-8 plantas de forma rectangular Edificio de 8-10 plantas con grandes luces Edificio de 20 plantas con núcleo de hormigón Edificio de 20 plantas con núcleo arriostrado de acero Cantidades de acero aproximadas (kg/m 2 en planta) Vigas Columnas Arriostramiento s Total Página 14

15 Registro de calidad TÍTUO DE RECURSO Proyecto básico: Coordinación del diseño estructural y arquitectónico para edificios de varias plantas con estructuras de acero Referencia(s) DOCUMENTO ORIGINA Nombre Compañía Fecha Creado por R.M. awson SCI Enero 05 Contenido técnico revisado por G.W. Owens SCI Mayo 05 Contenido editorial revisado por D.C. Iles SCI Mayo 05 Contenido técnico respaldado por los siguientes socios de STEE: 1. Reino Unido G.W. Owens SCI 26/5/05 2. Francia A. Bureau CTICM 26/05/05 3. Suecia A. Olsson SBI 26/05/05 4. Alemania C. Mueller RWTH 11/5/05 5. España J. Chica abein 20/5/05 6. uxemburgo M. Haller PARE 26/05/05 Recurso aprobado por el Coordinador técnico G.W. Owens SCI 26/406 DOCUMENTO TRADUCIDO Traducción realizada y revisada por: eteams International td. Recurso de traducción aprobado por: abein 12/09/05 Página 15