DISEÑO ESTRUCTURAS DE ACERO

Transcripción

1 DISEÑO ESTRUCTURAS DE ACERO ARMADURAS DE ACERO Prof: Gustavo Rojas Moya Escuela Ingeniería en Construcción Instituto Tecnológico de Costa Rica

2 ARMADURAS DE ACERO Generalidades El uso más común de armaduras en edificios es para soportar cubiertas de techo, pisos y otras cargas como cielos suspendidos. Existen muchos tipos de armaduras o cerchas, tal como se presentan en la siguiente figura. La escogencia del tipo de armadura a utilizar depende en primera instancia de los requerimientos arquitectónicos y del cliente y en segunda instancia de las dimensiones y de factores económicos. Tipos de armaduras más comunes: a) Tipo Pratt, b) Howe, c) Fink, d) Mansard, e) Practt-plana, f) W arren, g) Warren modificada, h) Diente de sierra. La armadura tipo Pratt (a) y (e), tiene los elementos diagonales en tensión y por lo tanto los elementos verticales más cortos en compresión y los elementos verticales más largos en tensión para cargas verticales de magnitud normal. La armadura Howe es la inversa de la Pratt. Tiene la ventaja de que para cargas livianas las 1

3 cuales pueden revertirse como la carga de viento, funciona de manera similar a la primera. Además resulta que la cuerda en tensión presenta una mayor fuerza que la fuerza que se produce en la cuerda en compresión en la mitad del claro, para cargas verticales convencionales. La armadura Fink resulta más económica en términos del peso de acero, para luces grandes, debido a que los miembros del alma de la armadura se dividen en elementos muy cortos. Pueden existir muchas maneras de arreglar o disponer de los elementos del alma, lo cual queda a criterio del diseñador. La armadura Mansard es una variación de la armadura Fink, con la ventaja de reducir el espacio no usado a nivel de techos. Sin embargo, las fuerzas en las cuerdas superior e inferior se incrementan debido a la poca altura de la cercha o a la pequeña razón entre altura y claro de la armadura. La armadura Warren tiene la ventaja de que los elementos en compresión y tensión en el alma de la armadura tienen igual longitud, resultando en un razón peso claro muy ventajosa en términos de costo para luces pequeñas, además de que se reducen los costos de fabricación al ser todos los elementos iguales en longitud. La armadura W arren modificado se usa en luces grandes. La armadura diente de sierra se usa mucho en edificios con varias luces o claros. Para cubiertas de techo, las armaduras Pratt, Howe y Fink, resultan en las más económicas para razones luz- altura del orden entre 4 y 5, con claros entre los 6 y 12m. También se pueden usar en claros arriba de los 15 mts, pero es vuelven menos económicas debido al mayor espacio inutilizable debido a su mayor altura. En estos casos es común usar relaciones luz-altura (altura de la cumbrera) entre 6 y 7. Para luces entre los 15 y 30 m. la armadura Mansard es más conveniente. Las armaduras con cuerdas paralelas, tal como la Warren tienen claros económicos entre 6 y 50 m, con relaciones luz-altura entre 15 y 25, dependiendo de la intensidad de la carga. El espaciamiento más economic entre armaduras es una function del claro y de las cargas, pero en terminus generales se acostumbra una separación entre 1/4 o un 1/5 del claro de la armadura, lo que resulta en separaciones entre los 4 y 10 m. Para claros pequeños, entre los 6 y 15 m se deberán usar separaciones entre los 3 y 4m. Selección de elementos Para armaduras que soportan cargas livianas como las cubiertas más comunes en los edificios generalmente se escogen secciones de molino por economía, tal como las mostradas en la parte a de la figura. Las secciones tubulares o cajones son muy populares debido a su gran eficiencia y a su apariencia agradable cuando son expuestos. Para armaduras que soportan cargas más pesadas o luces grandes, se utilizan secciones más pesadas como las mostradas en la parte b. de la figura. Se deberá considerar en el diseño la facilidad del acceso a todos los elementos, así que puedan ser bien inspeccionados y protegidos generalmente con pinturas, como una consideración primaria a la hora de escoger la sección más adecuada. 2

4 Elementos típicos usados en armaduras, a) secciones usadas en armaduras livianas de edificios, b) armaduras más pesadas o puentes de claros cortos. Conexiones Existen hoy en día básicamente dos tipos de conexiones usadas en armaduras: soldadas o atornilladas. Las armaduras pequeñas, las cuales pueden ser transportadas como una sola pieza generalmente se soldan en el taller. Cuando la armadura abarca una luz muy grande, se subdivide la armadura o dos más partes, siendo cada una de las partes soldadas y se transportan separadas. En el campo se unen las partes generalmente con placas y se usan tornillos para unir cada una de las partes. También cuando se usan uniones atornilladas se deben usar placas de unión. El uso en general de placas de unión permite una mejor disposición espacial de los elementos que conforman la unión, permitiendo hacer que las líneas centroidales o líneas de trabajo de cada elemento coincidan en un solo punto de la unión, evitando excentricidades en la unión. Cuando esto no es posible los momentos producidos por la excentricidad de la unión deberá ser tomado en cuenta en el diseño de los elementos. Algunos detalles típicos se presentan en la siguiente figura: Detalles típicos de uniones. 3

5 Modelo de análisis Las cargas se asumen que actúan en los nodos de la armadura, así que los elementos trabajan bajo un estado de esfuerzos directo (tensión o compresión). Los nudos se consideran articulados aunque usualmente este no es el caso. Generalmente la cuerda superior e inferior son elementos continuos y las uniones son soldadas o contienen múltiples tornillos, lo que provoca que existe cierta restricción al giro del nudo con lo que se desarrollan momentos en los extremos de los elementos. Es común en armaduras livianas o pequeñas despreciar estos efectos secundarios. Más concretamente esos efectos secundarios pueden ser no considerados en el diseño, si se cumple con: La razón de esbeltez de los elementos de las cuerdas en el plano de la armadura es mayor a 50 y la razón de esbeltez de los elementos que conforman el alma de la armadura es más grande que 100. Cargas de diseño Las armaduras se deben diseñar para las cargas establecidas en el Código Sísmico de Costa Rica y el Reglamento de la Construcción. En nuestro país es común diseñar las cerchas para la carga muerta, carga viva y la carga de viento. Factores que dictan la economía de la armadura. Algunos de los factores que afectan más la economía de la armadura, se listan a continuación. Estos factores deben ser identificados y evaluados en la etapa de diseño. Disponibilidad de materiales en la zona. Conexiones: soldadas o con tornillos. Máxima tamaño que puede ser transportado a la obra. Métodos de montaje. Redundancia de la estructura. Experiencia del constructor. Diseño simple con gran repetición. 4