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MANUAL DE DISEO DE ESTRUCTURAS DE ACERO Y MADERA

PARA ARQUITECTOS

Diseo de estructuras para arquitectura

NDICE

Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CAP. I. EL DISEO ESTRUCTURAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principales materiales estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elementos estructurales bsicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principales sistemas estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAP. II. CONCRETO REFORZADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carga axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexin simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cortante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseo por viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cimentaciones superficiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cimentaciones profundas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Losas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vigas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Columnas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAP. III. ESTRUCTURAS DE ACERO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compresin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cortante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAP. IV. ESTRUCTURAS DE MADERA . . . . . . . . . . . . . . . . . Tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compresin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cortante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ejercicios finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Diseo de estructuras para arquitectura

INTRODUCCIN

Para la mente humana, todo aquello que existe posee una estructura; para los sentidos, todo lo per- ceptible tiene forma. Estructura y forma son productos de la constante comunicacin entre el ser y el universo; son conocimiento e informacin particulares de los componentes, relaciones, contornos, masa, proporcin y cualidades de los cuerpos existentes; son el ordenamiento mental y material de elementos significativos dentro de la experiencia humana.

Aquello que carece de estructura definida es un fenmeno perceptual o imaginario que slo po- see forma tangible o posible. Aquello que carece de forma, no existe para el ser humano; puede estar dentro de lo desconocido, lo imperceptible; la nada. No est ni dentro de lo habitual ni dentro de lo posible. Es la anti-forma.

La estructura del universo es producto de la capacidad humana para discernir relaciones signifi- cativas y ordenar los fenmenos que percibe o imagina; capacidad de aprehender el universo, rela- cionar sus partes, delimitar esferas de desempeo y calificar sus comportamientos. Es al mismo tiempo, resultado de la necesidad humana de rehacer constantemente el universo en nuevas relacio- nes, nuevas partes, nuevos significados.

La forma es el lmite espacio-temporal de cuerpos y conceptos. Desde el mnimo elemento o partcula hasta el mximo universo, la forma define lmites y establece contornos; otorga identidad y comunicabilidad a cuerpos y conceptos. La forma es producto de la capacidad para aprehender perceptualmente el universo y elaborar imgenes significativas y es el resultado de las necesidades de rehacer el universo mediante transformaciones que generan nuevos cuerpos y conceptos, con un desempeo asignado del propsito o la finalidad, con un significado particular y una apariencia definida.

La verdadera innovacin es aquella que afecta tanto a la estructura como a la forma de la vida. Lo que afecta slo a la forma es insubstancial, lo que afecta slo la estructura es trascendental, pero incompleto.

Estructura y forma son producto de fases importantes del comportamiento humano: anlisis co- nocimiento comprensin; invencin y produccin. El arquitecto muchas veces se dirige hacia la estructura a travs de la forma; pero el arquitecto creativo se dirige hacia la forma a travs de la estructura, no con carcter exclusivo sino como un alternar de estados de relacin. El ser cientfico- creativo es aquel ideal que antao representaron Leonardo y Miguel Angel. El ser comprometido necesita conocer la estructura y transformar la forma de su universo. La especializacin ha llevado a disociar en nosotros el inters cientfico y el afn creativo. En el futuro se deben integrar en el ba- lance de la actitud objetiva y distante del cientfico y la actitud compasiva y expresiva del creador, en todos los aspectos de la existencia humana. Los postulados que aslan la posibilidad de generar un universo formalmente gratificante, de una bsqueda de estructuracin interna de la sociedad, en cualquiera de los dos sentidos, presentan un aspecto incompleto del futuro. Por atender a un solo aspecto se descuida el otro. Pero la existencia humana es integral y exige atender no slo a su per- feccin o adecuacin estructural, sino tambin a su formalizacin, no slo correcta sino creativa. En lo creativo se unen estructura y forma en una relacin en la cual, cada una de ellas est resuelta correctamente y se trasciende el contenido para enriquecer el aspecto; se allana lo puramente utilita- rio y se busca la gratificacin.

Antiguamente, se construa con mampostera y madera con mtodos artesanales, que tenan una tradicin secular. Las posibilidades contenidas eran limitadas y los sistemas de ejecucin fueron posteriormente los mismos durante largo tiempo. Todo esto debe estar relacionado con el hecho de que salieran a la luz, pocos, pero muy definidos y caractersticos, estilos arquitectnicos. Dentro de este marco tcnicamente limitado, el diseador exterior, generalmente muy despierto y estrecha- mente ligado al arte de la profesin, haca posible una variedad asombrosa.

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Diseo de estructuras para arquitectura

Con base en la ilustracin nacida en Francia y como efecto de la Revolucin Industrial, se intro- dujeron en la construccin los conocimiento de las ciencias naturales y nuevos materiales, abriendo nuevas posibilidades tcnicas y estructurales. El mbito y diferenciacin de los conocimientos nece- sarios se incrementaron de modo que tuvo que llegarse de esta tarea a la formacin de especialida- des, la propia del arquitecto, predominante diseador, y la propia del ingeniero, responsable de la estabilidad y parte estructural.

Esta "especializacin", sin embargo, corresponde ms a las diferentes aptitudes de las personas que a una reparticin lgica para solucionar las complejas tareas en el campo de la construccin. Entre otras, esta solucin tiene el peligro de que los conocimientos propios de los ingenieros y de los arquitectos estn tan poco relacionados que no puedan alcanzarse resultados ptimos en la eje- cucin y diseo de los diferentes tipos de construcciones.

Para hacer frente a este peligro, este libro quiere ser de utilidad para los arquitectos, para disear y ejecutar estructuras de concreto reforzado, acero y madera (las ms comnes en nuestro medio). Su objeto es familiarizar al lector con los elementos constructivos tpicos, sus posibilidades de utili- zacin y los conceptos bsicos en las propiedades y posibilidades de los materiales, as como sus principios fundamentales. Se dan ayudas que permiten fijar, de manera lgica, las secciones de cada uno de los elementos hasta llegar al clculo de edificios de importante embergadura, con un mnimo de clculos tericos. Teniendo siempre en cuenta como elemento rector que las normas, la intui- cin y el sentido comn, son la parte esencial de un buen juicio estructural, que produce bue- nos conceptos y excelentes diseos. Las computadoras y los reglamentos solo estn para con- firmar lo ya intuido.

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Diseo de estructuras para arquitectura

Captulo I EL DISEO ESTRUCTURAL

Propiedades estructurales bsicas

Las caractersticas que hacen que un material sea adecuado para cumplir funciones estructurales se relacionan con sus propiedades mecnicas y con su costo, principalmente. Las estructuras civiles implican grandes volmenes y no permiten el empleo de materiales de resistencia extraordinaria- mente alta y de comportamiento estructural excelente, pero de costo muy elevado, como los que usan con frecuencia en las estructuras aeronuticas y aerospaciales. Comnmente, el material debe cumplir dentro de la construccin funciones adicionales a las puramente estructurales. La estructura no suele ser un mero esqueleto resistente recubierto y protegido por otros componentes que tienen la funcin de formar una envoltura externa y de subdividir los espacios. Frecuentemente la estructu- ra misma debe cumplir parcialmente estas funciones, por lo que el material que la compone debe tener, adems de caractersticas estructurales adecuadas, propiedades de impermeabilidad y durabi- lidad ante la intemperie y de aislamiento trmico y acstico, por ejemplo. Adems de la estructura integrada al resto de los componentes constructivos debe poder proporcionar cualidades estticas a la construccin.

Obviamente, no existe un material estructural ptimo; la opcin ms conveniente en cada caso depende tanto de la funcin estructural como de las propiedades no estructurales que son deseables para una situacin especfica.

Las propiedades estructurales de un material se definen en forma rigurosa por medio de sus leyes constitutivas, o sea del conjunto de ecuaciones que describen el estado de deformaciones que se presenta en el material ante cada posible estado de esfuerzos, as como los estados que correspon- den a condiciones de falla. De una manera ms sencilla las principales propiedades de un material pueden representarse mediante curvas esfuerzo-deformacin obtenidas de ensayes estndar ante condiciones uniaxiales de esfuerzos (de compresin o tensin). Se ignoran en estos ensayes, efectos como los de la velocidad y permanencia de la carga, los de repeticiones y alteraciones de esfuerzos y los de estados multiaxiales de esfuerzos. A pesar de estas limitaciones, las curvas esfuerzo, de- formacin en tensin y en compresin, recabadas de ensayes en condiciones estndar, proporcionan una informacin relevante acerca del comportamiento de un material.

Hay algunas caractersticas no propiamente estructurales que tienen una influencia relevante en el comportamiento y en el aprovechamiento que puede darse a un material dado dentro de una es- tructura. Una de ellas es el peso; en materiales de gran peso volumtrico y de resistencia no muy alta, buena parte de la resistencia debe destinarse a soportar su propio peso, como en el caso de un puente de concreto, por ejemplo. Se ha llegado a manejar como medida de la eficiencia estructural de un material a la relacin entre su resistencia y su peso volumtrico. Es, sin embargo, muy limita- do el valor que puede darse a las comparaciones de eficiencia que se hacen en estos trminos, ya que la conveniencia de uno u otro material depende de muy diversas funciones, estructurales y no, que debe cumplir la estructura.

Otro aspecto que influye en la posibilidad de usar eficientemente un material es la posibilidad de darle forma ms adecuada para la funcin estructural a la que est destinado, tanto en lo relativo a la forma de la seccin como a la de los elementos y sistemas estructurales bsicos. Propiedades tam- bin relevantes son la durabilidad, o sea la capacidad de mantener inalteradas sus caractersticas con el tiempo y ante el efecto de condiciones ambientales severas, y la de requerir poco mantenimiento para alcanzar dicha durabilidad.

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