Proyecto básico: Selección de estructuras económicas para edificios de acero y edificios mixtos, de baja a media altura

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1 Proyecto básico: Selección de estructuras económicas para edificios de acero y edificios mixtos, de baja a media altura Este documento presenta y define los principales conceptos de estructuras de edificios de acero y edificios mixtos de varias plantas. Presenta alternativas principales para el proyectista y proporciona una guía para realizar una elección económica en un proyecto específico. Índice 1. Introducción 2 2. Alcance 2 3. Conceptos principales, definiciones e importancia para el diseño 2 4. Elección entre construcción simple o continua 7 5. Guía para una selección económica de una estructura para un edificio específico 7 Página 1

2 1. Introducción Para diseñar estructuras de edificios de acero de baja a media altura, es posible elegir una amplia gama de soluciones estructurales. En la norma EN , existen diferentes opciones para el tratamiento de: Resistencia a cargas laterales Variaciones en rigidez lateral Tratamiento de imperfecciones, tanto globales como locales Uso de construcción simple (con vigas articuladas), semicontinua o continua. Por consiguiente, EN proporciona un tratamiento exhaustivo de una amplia variedad de estructuras. La variedad resultante de enfoques puede resultar confusa a todos, menos a los proyectistas en acero con mayor experiencia. Por consiguiente, este documento busca proporcionar un rango limitado de enfoques simplificados, tanto para la selección del tipo de estructura como para el método de análisis. Estos métodos proporcionarán una solución segura en la gran mayoría de casos, y también conducirán a la solución más económica. Debe destacarse que casi todas las estructuras de varias plantas, son estructuras tridimensionales con distribuciones ortogonales en planta, es decir con vigas primarias y secundarias en dos direcciones a 90 o. Es necesario analizar en las dos direcciones principales y por separado, la resistencia a fuerzas horizontales y la obtención de una estabilidad lateral adecuada. Pueden existir soluciones diferentes y adecuadas en las dos direcciones. 2. Alcance Esta guía tiene como objetivo edificios de varias plantas de baja a media altura, para todos los tipos de uso, pero principalmente edificios comerciales y residenciales. Los edificios de baja a media altura están definidos como aquellos en que las exigencias para resistir cargas horizontales y la obtención de una adecuada estabilidad lateral, no tienen mayor impacto en la forma estructural. Para edificios con proporciones normales en regiones no sísmicas, el límite superior puede tomarse como de 10 plantas. 3. Conceptos principales, definiciones e importancia para el diseño 3.1 Estructuras arriostradas y no arriostradas Como se muestra en la Figura 3.1, una estructura arriostrada resiste las acciones horizontales por uno de los dos siguientes medios: Conexión de la estructura de acero a un núcleo rígido de hormigón, el que generalmente se utiliza para ascensores, servicios verticales y escaleras Página 2

3 El uso de arriostramientos para resistir acciones horizontales. 1 2 Leyenda: 1 Muros de hormigón del núcleo de servicio 2 Puerta (a) (b) (c) Figura 3.1 Tipos de estructuras arriostradas: (a) Núcleo rígido de hormigón, (b) Arriostramiento en V invertida, (c) Formas diferentes de arriostramientos triangulares Cuando el arriostramiento en cruz es inaceptable para el uso del edificio, puede reemplazarse por arriostramientos en la forma de estructuras estabilizadoras. Como se muestra en la Figura 3.2, para que el núcleo rígido o los vanos arriostrados trabajen efectivamente, se necesitan ubicar más o menos simétricamente con respecto a la distribución en planta del edificio. Cuando el edificio está separado en secciones por juntas de dilatación, cada sección debería considerarse como un edificio independiente. Los forjados actúan como diafragmas, que transfieren todas las acciones horizontales a los núcleos rígidos o paños arriostrados. Página 3

4 A 2 1 A 1 A - A Leyenda: 1. Núcleo de muros de hormigón 2. Puertas (a) (b) (c) Figura 3.2 Ubicación efectiva de ejes resistentes a fuerzas laterales: (a) Núcleo de hormigón que encierra escaleras, ascensores, conducciones de servicio, etc., (b) Núcleo rígido de paneles arriostrados en cruz de San Andrés, (c) Paneles rígidos no agrupados como un núcleo Página 4

5 Como se muestra en la Figura 3.3, las estructuras no arriostradas resisten las acciones horizontales mediante momentos de flexión y fuerzas cortantes en vigas y pilares. Es importante resaltar que los momentos provenientes de acciones laterales son mayores en las vigas que en los pilares. Evidentemente, las conexiones en tales estructuras deben ser capaces de transferir momentos importantes entre vigas y pilares. Figura 3.3 Momentos de flexión en vigas y pilares correspondiente a fuerzas horizontales en un edificio de varias plantas, de un solo paño, no arriostrado. Esta acción de estructura puede ser: Distribuida entre todos las estructuras paralelos en el edificio, véase la Sección 5.3 para mayores detalles. Concentrada en estructuras estabilizadores, véase la Sección 5.4 para mayores detalles. 3.2 Rigidez lateral de estructuras En EN , la rigidez lateral de una estructura afecta el análisis. Se puede utilizar el análisis de primer orden para estructuras que satisfacen los requerimientos de rigidez de EN En SF015a-ES-EU se da un procedimiento de diseño para hacer un análisis de primer orden. Se debe considerar el efecto de las deformaciones en todos los demás estructuras. Se dan procedimientos de diseño en SF002a-ES-EU. Aunque todos las estructuras tienen algún grado de desplazamiento lateral, generalmente se clasifican en estructuras no arriostradas y estructuras arriostradas, dependiendo de la magnitud de los efectos de las deformaciones. Los efectos de la geometría deformada (efectos de segundo orden) deben incluirse en el análisis de estructuras con desplazamiento lateral. Es probable que una estructura que está arriostrado débilmente, se comporte como una estructura con desplazamiento lateral. 3.3 Construcción simple, semicontinua y continua Esta clasificación de los tipos de construcción está basada en los tipos de unión viga a pilar, como se ilustra en la Figura 3.4. Página 5

6 (a) (b) (c) Figura 3.4 Tipos de unión viga a pilar: (a) nominalmente articulada, (b) semirígida, (c) rígida En la construcción simple (en la cual las uniones de viga a columna son nominalmente articuladas), las uniones viga columna, sólo transmiten fuerza cortante desde los extremos de la viga a los pilares. Las proporciones de las uniones deben permitir suficiente rotación en el extremo de las vigas, para que sean diseñadas con seguridad como simplemente apoyadas. En la construcción semicontinua, las uniones semirígidas viga-pilar, transmiten adicionalmente, momentos de flexión significativos desde los extremos de las vigas a los pilares. Sin embargo, la rotación local de la unión asociada con estos momentos, es suficientemente grande, tal que puede influir en la distribución de momentos en toda la estructura. El análisis global de la construcción semirígida requiere un modelo apropiado del comportamiento de la unión, por lo cual es complejo. Página 6

7 En la construcción continua las uniones viga-pilar son efectivamente rígidas. No se necesita tener en cuenta las rotaciones de las uniones en el análisis global. Estas deben diseñarse para transmitir los momentos y fuerzas cortantes totales en los extremos de las vigas a los pilares. 3.4 Imperfecciones Como se vio en el artículo 5.3 de EN , los efectos de las imperfecciones equivalentes, incluyendo los efectos de las tensiones residuales e imperfecciones geométricas, deben considerarse en el análisis y diseño de estructuras de acero de varias plantas. En muchas estructuras reales, las imperfecciones globales, se consideran con mayor efectividad, reemplazándolas con sistemas o fuerzas horizontales equivalentes, tal como se trató en EN (7). Véase SN047 para una guía detallada sobre imperfecciones y SF007 para el diseño de arriostramiento vertical. Las imperfecciones de los elementos se contemplan dentro de la resistencia a pandeo de los mismos, EN (1). 4. Elección entre construcción simple o continua Para estructuras no arriostradas, la estabilidad lateral sólo puede lograrse mediante la acción de estructura. Por consiguiente, es necesario utilizar la construcción continua. (El uso de construcción semi-continua para proporcionar estabilidad lateral es complejo y está más allá del alcance de este documento). Como se observó en 3.1 anteriormente, la construcción continua puede hacerse en todos las estructuras o puede concentrarse en estructuras estabilizadoras discretos, utilizando construcción simple en los todas las demás estructuras. Para estructuras arriostradas, el proyectista puede elegir entre construcción simple o continua, por razones económicas, para ahorro de costes en la construcción. 1. Cuando el estado tensional de la estructura gobierna el diseño, la construcción simple debería adoptarse siempre. 2. Cuando la rigidez (condiciones de servicio) gobierna el diseño, se puede lograr aún un mayor ahorro con la construcción simple. Sin embargo, si existen limitaciones severas para el canto de la viga, pueden haber ventajas al considerar la construcción continua. Se recomienda que se desarrollen esquemas alternativos, discutidos con el contratista de los trabajos en acero y que se haga un análisis de costes antes de la elección final. 5. Guía para una selección económica de una estructura para un edificio específico Las alternativas disponibles para el proyectista, se presentan en orden ascendente de complejidad y generalmente, en orden descendente de economía, es decir la más sencilla y más económica en primer lugar. Cada dirección principal de la distribución en planta de pilares debe considerarse separadamente. Pueden ser adecuadas alternativas diferentes en las dos direcciones. Página 7

8 Hoy en día, el análisis por ordenador es ampliamente utilizado. En cada sección, se da un comentario de su rol potencial. 5.1 Estructuras arriostradas en construcción simple Estas estructuras utilizan uniones articuladas viga-pilar, como se observa en la Figura 3.4(a). SN020 proporciona las metodologías de diseño recomendadas para estructuras arriostradas. Ventajas Uniones viga/pilar simples, económicas Tamaño y peso de columna mínimo Vigas sólo bajo momentos positivos, permitiendo un mejor uso de la construcción mixta. Análisis simple de una determinada parte de la estructura de acero, facilitando de esta manera, la selección óptima de vigas y pilares. Desventajas: No es conveniente para construcciones a escala pequeña, si es posible ubicar el arriostramiento y la condición de fuerza gobierna el diseño del forjado. Podría conducir a vigas antieconómicas si la condición de servicio gobierna el diseño del forjado. Si estas estructuras tienen arriostramiento rígido, pueden diseñarse utilizando un análisis de primer orden, por ejemplo con α cr 10. El arriostramiento rígido, puede ser proporcionado ya sea por un núcleo de hormigón o por un arriostramiento de acero triangular, como se observa en la Figura 3.1. A medida que las estructuras incrementan en número y altura de plantas, el tamaño de los arriostrados se incrementa y pueden resultar antieconómicos o difíciles de ubicar dentro de la distribución arquitectónica. SN028 proporciona una guía simple para asegurar que el arriostramiento de acero triangular, sea dimensionado para obtener α cr 10. Cuando existe un núcleo de hormigón, se asume que éste proporciona suficiente rigidez lateral para asegurar α cr 10 para la mayoría de edificios de baja a media altura (si el proyectista tuviera dudas, puede llevarse a cabo un análisis de modos de pandeo). Se puede hacer manualmente un análisis de primer orden; la ventaja principal de un análisis por ordenador es la organización de combinaciones de carga, y la determinación de las acciones gobernantes dentro de la estructura. Cuando el arriostramiento triangular para lograr α cr 10, no se puede acomodar arquitectónicamente o es antieconómico, puede ser posible diseñar un sistema de arriostramiento ligero. SN047 proporciona una guía práctica para la selección de las fuerzas horizontales equivalentes mínimas. α cr puede determinarse aproximadamente y manualmente por EN (B) para ciertas clases de estructuras. Sin embargo, un análisis por ordenador apropiado proporcionará un valor preciso de α cr y ayudará en la organización de la combinación de cargas y la determinación de las acciones gobernantes dentro de la estructura. Teóricamente es posible diseñar una estructura con α cr menor que 3,0, utilizando un análisis de segundo orden según EN Sin embargo, la estructura resultante será tan flexible lateralmente que es probable que no pase el criterio de flecha práctico en una Página 8

9 construcción convencional. Por consiguiente, este enfoque, sólo debería utilizarse para formas especiales de construcción que están más allá del alcance de este documento. 5.2 Estructuras arriostradas con construcción continua Cuando la rigidez del forjado gobierna el diseño, por ejemplo cuando el canto de las vigas esta restringido severamente, puede ser más económico optar por una construcción continua con estructuras arriostradas. Las consideraciones de arriostramiento son las mismas que para estructuras arriostradas en construcción simple. Será necesario llevar a cabo el análisis de toda la estructura para determinar las fuerzas y momentos internos en pilares, vigas, arriostramientos y uniones. El diseño plástico puede ser útil para estas estructuras. Ventajas Las uniones viga/pilar aumentan sustancialmente la rigidez de los sistemas de forjados, para asegurar que se cumplan el estado límite de servicio, en el caso de tramos largos y/o cantos de viga restringidos. Desventajas: Los pilares, especialmente los pilares externos aumentan en peso sustancialmente para poder resistir los momentos de flexión. Las uniones viga/pilar continuas son costosas. Los momentos de la viga que gobiernan están probablemente en los apoyos, reduciendo sustancialmente las ventajas de la construcción mixta El análisis global es complejo, haciendo difícil la optimización del tamaño de los elementos. El análisis por ordenador es esencial: para determinar fuerzas internas y momentos en vigas y pilares para determinar la distribución de las acciones laterales entre el arriostramiento y la estructura para determinar α cr En donde sea posible realizar un análisis de segundo orden mediante ordenador, es probablemente más efectivo, en términos de esfuerzo de diseño, usar éste (el ordenador) que usar el método de amplificación de EN , (3). 5.3 Estructuras no arriostradas contra desplazamiento lateral: Generalidades Donde, por razones arquitectónicas, no sea posible colocar arriostramientos, es necesario utilizar una construcción continua o semirígida, para proporcionar estabilidad lateral y resistir las fuerzas laterales. (La construcción semi-rígida es compleja, y por consiguiente está más allá del alcance de este documento). Diseñar una estructura altamente redundante es difícil. Es importante seleccionar tamaños iniciales adecuados para lograr un resultado económico final. Página 9

10 1. Utilizar SN012 para dimensionar los pilares. Estas tablas incluyen un cierto margen para cubrir los efectos accidentales de cargas axiales y momentos. 2 wl 2. Tamaño de las vigas para, donde w es la carga distribuida por unidad de longitud y l 12 es la luz de la viga. 3. Inicialmente, realizar un análisis de primer orden separado para fuerzas horizontales y verticales, y utilizar EN (4)B para estimar α cr, y verificar que la estructura cumpla con los límites de flecha horizontal (véase el documento SN034). Se debe incluir los efectos de segundo orden en el análisis. Si α cr 3,0, EN (5)B y (6)B permiten el uso de un enfoque de momento amplificado y fuerza para las acciones horizontales. Esto puede ser mucho más conveniente que un análisis completo de segundo orden. Ventajas Permite diseños arquitectónicos sin ningún arriostramiento triangular. Desventajas: Los pilares, especialmente los pilares externos incrementan en peso sustancialmente para resistir los momentos de flexión. Las uniones viga/pilar son complejas y costosas. Los momentos que gobiernan el diseño de la viga están probablemente en los apoyos, reduciendo sustancialmente las ventajas de una construcción mixta. El análisis global es complejo, haciendo difícil la optimización del tamaño de los elementos. Un análisis completo con ordenador es esencial por similares razones que en la sección 5.2 anterior. 5.4 Pórticos estabilizadores Como se muestra en la Figura 5.1(a), puede ser arquitectónicamente conveniente utilizar estructuras resistentes discretas o pórticos estabilizadores para proporcionar la estabilidad lateral y resistencia a las fuerzas laterales. Es posible combinar las estructuras estabilizadoras con estructuras arriostradas, como se muestra en la Figura 5.1(b), siempre que exista compatibilidad entre las rigideces laterales. En ambos casos, es posible tener diferentes enfoques de diseño para los dos tipos de estructuras. Usar las técnicas de la Sección 5.3 para estructuras estabilizadoras. Los estructuras estabilizadoras deben proporcionar rigidez lateral y resistencia lateral a todo el edificio. Por consiguiente, las vigas y pilares necesitan ser muy rígidas para resistir los efectos laterales de toda la estructura. Utilizar los conceptos de estructura arriostrada simple de la Sección 5.1 para el resto de la estructura. Debe realizarse un análisis global de esta estructura híbrida para determinar α cr. Página 10

11 Ventajas Permite distribuciones arquitectónicas sin ningún arriostramiento triangular. Reduce la cantidad de uniones viga/pilar y pilares que se necesitarían para soportar momento de flexión grande. Desventajas: Los pilares, especialmente los pilares externos, en los pórticos estabilizadores aumentan en peso sustancialmente. Las uniones viga/pilar en pórticos estabilizadores son complejas y costosas. Se necesita tratar de manera cuidadosa la compatibilidad de rigidez lateral entre pórticos resistentes, pórticos simples y pórticos arriostrados (si este último existe). El análisis global es complejo, haciendo difícil la optimización del tamaño de los elementos. Es importante, tener especial cuidado de la estructura en su conjunto, para el análisis de los pórticos estabilizadores, por la razón expuesta en la Sección 5.2. También, puede ser más conveniente usar un modelo de ordenador de toda la estructura para ayudar en la organización de combinación de cargas y acciones gobernantes (a) Leyenda: 1. Estructura resistente con conexiones rígidas 2. Estructura con uniones simples 3. Núcleos rígidos 4. Junta de dilatación (b) 3 Figura 5.1 Ejemplos de estructuras estabilizadoras: (a) Pequeño, estructura con paños grandes sin pilares interiores ni núcleos rígidos (b) Pequeña, estructura con paños grandes sin pilares interiores ni núcleos rígidos Página 11

12 Registro de Calidad TÍTULO DEL RECURSO Proyecto básico: Selección de estructuras económicas para edificios de acero y. Referencias(s) DOCUMENTO ORIGINAL Nombre Compañía Fecha Creado por G W Owens SCI Contenido técnico revisado por C M King SCI Contenido editorial revisado por Contenido técnico respaldado por los siguientes socios de STEEL: 1. Reino Unido G W Owens SCI 23/05/06 2. Francia A Bureau CTICM 23/05/06 3. Suecia B Uppfeldt SBI 23/05/06 4. Alemania C Müller RWTH 23/05/06 5. España J Chica Labein 23/05/06 Recurso aprobado por el Coordinador técnico G W Owens SCI 25/04/07 DOCUMENTO TRADUCIDO Traducción realizada y revisada por: J Chica, Labein 27/02/07 Recurso de traducción aprobado por: Corrigendum 26/6/07 Referencia al documento SN028 corregida. Página 12

13 Resumen de información Título* Proyecto básico: Selección de estructuras económicas para edificios de acero y. Series Descripción* Este documento presenta y define los principales conceptos de estructuras de edificios de acero y edificios mixtos de varias plantas. Presenta alternativas principales para el proyectista y proporciona una guía para realizar una elección económica en un proyecto específico. Nivel de acceso* Experiencia Profesional Identificadores* Nombre del archivo Formato Categoría* Tipo de recurso Enfoque Microsoft Office Word; 13 Páginas; 201kb; Proyecto básico Arquitecto, Ingeniero Tema* Área(s) de aplicación Edificios de varias plantas Fechas Fecha de creación 26/05/06 Fecha de última modificación Fecha de revisión Válido desde Válido hasta Idioma(s)* Contactos Autor Revisado por Aprobado por Editor Última modificación hecha por: Español G W Owens, SCI C M King, SCI Palabras claves* Ver también Diseño básico, edificios de varias plantas Referencia del Eurocódigo Ejemplo(s) de cálculo(s) Comentario Debate Otros Ámbito de aplicación Aplicabilidad nacional UE Instrucciones especiales Página 13