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Construccin en acero
Introduccin al diseo

Instituto Tcnico de la Estructura en Acero

ITEA

NDICE

NDICE DEL TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.1: Proceso de Diseo ............................................................
1 INTRODUCCIN: OBJETIVOS DEL DISEO ................................................ 2 CMO ENFOCA EL PROYECTISTA UN NUEVO PROYECTO? ................. 3 CMO DESARROLLA EL PROYECTISTA EL SISTEMA ESTRUCTURAL? ...................................................................... 3.1 Plantear un concepto inicial que pueda satisfacer bien las necesidades funcionales................................................................. 3.2 Reconozca los principales sistemas estructurales y considere la resistencia y rigidez necesarias ....................................................... 3.3 Valore las cargas con precisin y estime las dimensiones de los elementos principales ................................................................ 3.4 Anlisis estructural completo, utilizando elementos de dimensiones estimadas con diseo adecuado de uniones, relativo a detalles reales........................................................................ 3.5 Comunique el objeto del diseo mediante planos y especificaciones.................................................................................. 3.6 Supervise la ejecucin .......................................................................... 3.7 Realice un mantenimiento regular ....................................................... 3.8 Diferencias de nfasis en el enfoque del diseo respecto al diseo de un edificio de tamao medio .......................................... 3.8.1 3.8.2 3.8.3 Viviendas unifamiliares ............................................................. Puentes........................................................................................ Plataformas petrolferas ............................................................ 1 4 6 8 8 11 13

14 15 15 15 15 15 16 16 17 19 19 I

4 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 5 BIBLIOGRAFA ................................................................................................ APNDICE 1: El juego de rol La casa del Mono para un grupo de estudiantes en un seminario, figura 16................................

Leccin 2.2.1: Principios de diseo........................................................

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 LAS INCERTIDUMBRES EN DISEO ESTRUCTURAL ................................ 3 DISEO PARA EVITAR EL COLAPSO........................................................... 3.1 Antecedentes.......................................................................................... 3.2 Estabilidad .............................................................................................. 3.3 Robustez ................................................................................................. 4 OTROS OBJETIVOS DEL DISEO................................................................. 4.1 Deformacin............................................................................................ 4.2 Vibracin ................................................................................................. 4.3 Resistencia al incendio ......................................................................... 4.4 Fatiga... .................................................................................................... 4.5 Ejecucin ................................................................................................ 4.6 Mantenimiento ........................................................................................ 5 RESPONSABILIDADES DEL PROYECTO ..................................................... 6 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 7 BIBLIOGRAFA ................................................................................................

23 26 28 30 30 31 32 33 33 33 34 34 35 35 36 37 37

Leccin 2.2.2: Bases de Diseo en Estado Lmite y Coeficientes de Seguridad ....................................................................

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 BASES DE DISEO EN ESTADO LMITE ...................................................... 3 ACCIONES... .................................................................................................... 3.1 Valores caractersticos de las acciones (Gk, Qk y Ak) ....................... 3.2 Valores hipotticos de las acciones (Gd, Qd y Ad) ............................. 4 PROPIEDADES DEL MATERIAL .................................................................... 4.1 Valores caractersticos de las propiedades del material ................... 4.2 Valores tericos de las propiedades del material............................... 5 DATOS GEOMTRICOS .................................................................................. 6 COEFICIENTES PARCIALES DE SEGURIDAD ............................................. 7 ESTADO LMITE LTIMO................................................................................ 8 ESTADO LMITE DE SERVICIO ...................................................................... 8.1 Flechas .................................................................................................... 8.2 Efectos dinmicos.................................................................................. II

39 40 43 46 46 47 48 48 48 49 51 51 52 52 52

NDICE
9 MODELOS DE DISEO ESTRUCTURAL....................................................... 10 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 11 GLOSARIO...... ................................................................................................. 12 BIBLIOGRAFA ................................................................................................ 13 BIBLIOGRAFA RELACIONADA..................................................................... APNDICE: Coeficientes parciales de seguridad para las acciones ............... 54 55 56 57 57 59

Leccin 2.3: Bases para la Determinacin de Cargas ..........................

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 ACCIONES PERMANENTES .......................................................................... 2.1 Cargas permanentes .............................................................................. 3 ACCIONES VARIABLES ................................................................................. 3.1 Cargas impuestas .................................................................................. 3.2 Reducciones permitidas en la carga impuesta ................................... 3.3 Cargas superimpuestas en puentes .................................................... 3.4 Cargas generadas por una gra........................................................... 3.5 Cargas climticas................................................................................... 3.6 Cargas de viento .................................................................................... 3.7 Cargas de nieve...................................................................................... 3.8 Carga de las olas.................................................................................... 3.9 Efectos de la temperatura ..................................................................... 3.10 Material contenido.................................................................................. 3.11 Cargas ssmicas ..................................................................................... 3.12 Cargas accidentales............................................................................... 4 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 5 BIBLIOGRAFA ................................................................................................ 6 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ...........................................................................

63 66 68 68 71 71 72 72 73 73 74 77 77 78 78 78 78 79 79 79

Leccin 2.4.1: Historia del Hierro y del Acero en Estructuras.............

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 EVOLUCIN DE LOS METALES FRRICOS ................................................

81 84 85 III

2.1 Hierro de forja......................................................................................... 2.2 Hierro fundido o colado......................................................................... 2.3 Hierro forjado industrial ........................................................................ 2.4 Acero...... ................................................................................................. 3 LOGROS ALCANZADOS CON HIERRO Y ACERO ESTRUCTURALES...... 4 EL PERIODO DE LA FUNDICIN (1780-1850).............................................. 4.1 Puentes de fundicin en arco ............................................................... 4.2 La fundicin en los edificios................................................................. 4.3 Combinacin de fundicin y hierro forjado en la construccin ....... 4.4 Puentes colgantes.................................................................................. 5 EL PERIODO DE HIERRO FORJADO (1850-1900) ....................................... 5.1 El hierro en los puentes ........................................................................ 5.2 El hierro forjado en los edificios .......................................................... 6 EL PERIODO DEL ACERO (1880-ACTUALIDAD).......................................... 7 TCNICAS ACTUALES Y PERSPECTIVAS DE FUTURO ............................. 8 RESUMEN FINAL ............................................................................................

85 85 85 85 87 88 88 88 90 91 92 92 93 95 96 97

Leccin 2.4.2: Historia del Diseo en Acero..........................................

1 HISTORIA DEL DISEO EN ACERO: ESTADO DEL CONOCIMIENTO DE ESTRUCTURAS EN EL SIGLO XVIII Y ANTERIORES............................ 2 ESTADO DEL CONOCIMIENTO ESTRUCTURAL EN GRAN BRETAA A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX ...................................................................... 3 CONOCIMIENTO DE LA MADERA A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX............ 4 CONOCIMIENTOS DE LA FUNDICIN A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX................................................................................................ 5 CONOCIMIENTO DEL HIERRO FORJADO A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX ................................................................................................ 6 LOS AOS DE LOS ENSAYOS 1820-1850 .................................................... 7 TERMINOLOGA DEFORMACIN, TENSIN, COHESIN, ETC. ................ 8 EL DISEO ESTRUCTURAL ENTRE 1850 Y 1900 ....................................... 9 ANOTACIN SOBRE EL SIGLO XX ............................................................... 10 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 11 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ........................................................................... IV

99

102 103 104 105 107 108 110 111 114 115 116

NDICE
Leccin 2.4.3: Historia del Hierro y el Acero en Edificios .................... 117
1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 PRIMEROS USOS ESTRUCTURALES DEL HIERRO EN EDIFICIOS .......... 3 EDIFICIOS INDUSTRIALES Y FBRICAS ..................................................... 4 CUBIERTAS DE GRAN LUZ ........................................................................... 5 ESTRUCTURAS DE EDIFICIOS DE VARIAS PLANTAS ............................... 5.1 Construccin de forjados...................................................................... 5.2 Vigas y pilares ........................................................................................ 5.3 Construccin de prticos...................................................................... 5.4 Estructuras arriostradas para carga de viento ................................... 6 EVOLUCIN DEL DISEO DE EDIFICIOS CON ESTRUCTURA DE ACERO 7 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 8 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ........................................................................... 120 121 123 127 132 133 133 133 134 136 142 142

Leccin 2.4.4: Historia del Hierro y el Acero en Puentes ..................... 143

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 PUENTES EN ARCO ....................................................................................... 3 PUENTES CON ESTRUCTURAS DE VIGAS DE CELOSA, DE ALMA LLENA Y DE CAJN ..................................................................... 4 PUENTES COLGANTES ................................................................................. 5 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 6 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ........................................................................... 146 147 151 161 168 168

Leccin 2.5.1: Introduccin al Diseo de Edificios Industriales ......... 169

1 TIPOS DE EDIFICIOS INDUSTRIALES .......................................................... 2 ESTRUCTURA DE ACERO PARA EDIFICIOS INDUSTRIALES.................... 3 ELECCIN DE UN EDIFICIO INDUSTRIAL ................................................... 4 FORMAS DE LOS EDIFICIOS INDUSTRIALES ............................................. 5 LA ESTABILIDAD DE LOS EDIFICIOS INDUSTRIALES ............................... 6 ANLISIS GLOBAL ......................................................................................... 7 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 172 173 174 175 178 179 180 V

Leccin 2.5.2: Introduccin al Diseo de Edificios Industriales Singulares......................................................................... 181

1 TIPOS DE EDIFICIOS INDUSTRIALES SINGULARES.................................. 2 MTODOS DE MANIPULACIN..................................................................... 3 ILUMINACIN NATURAL ................................................................................ 4 SERVICIOS ...................................................................................................... 5 CARGAS ESPECIALES EN CUBIERTA ......................................................... 6 MANTENIMIENTO............................................................................................ 7 PROTECCIN CONTRA INCENDIOS............................................................. 8 ALGUNOS EJEMPLOS DE EDIFICIOS ESPECIALES .................................. 8.1 Centrales trmicas de carbn............................................................... 8.2 Hangar de mantenimiento de aeronaves ............................................. 8.3 Fbrica de leche en polvo ..................................................................... 8.4 Complejo industrial................................................................................ 9 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 184 185 187 188 189 190 191 192 192 193 196 197 199

Leccin 2.6.1: Introduccin al Proyecto de Puentes de Acero y Mixtos I........................................................................... 201

1 FUNDAMENTOS .............................................................................................. 2 LA ESTRUCTURA DE APOYO........................................................................ 3 INTRODUCCIN A LA SUPERESTRUCTURA .............................................. 4 PUENTES DE ACERO ..................................................................................... 4.1 Aspectos generales ............................................................................... 4.2 Sistemas de tablero ............................................................................... 5 PUENTES DE VIGAS ARMADAS ................................................................... 6 PUENTES DE VIGAS DE CELOSA ............................................................... 7 PUENTES DE VIGAS CAJN......................................................................... 8 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 9 BIBLIOGRAFA ................................................................................................ VI 204 206 208 210 210 211 215 217 219 223 223

NDICE
Leccin 2.6.2: Introduccin al Proyecto de Puentes de Acero y Mixtos: Parte 2
1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 PASARELAS PEATONALES ........................................................................... 3 PUENTES MVILES........................................................................................ 3.1 Generalidades......................................................................................... 3.2 Puentes basculantes.............................................................................. 3.3 Puentes giratorios.................................................................................. 3.4 Puentes levadizos .................................................................................. 3.5 Otros tipos de puentes mviles............................................................ 4 PUENTES DE SERVICIOS .............................................................................. 5 GUA PARA EL DISEO INICIAL ................................................................... 5.1 Seleccin de la forma del puente ......................................................... 5.2 Seleccin de la luz ................................................................................. 6 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 7 LECTURAS ADICIONALES ............................................................................ 228 229 231 231 231 232 233 234 235 237 237 239 240 241

Leccin 2.7.1: Introduccin al Diseo de Edificios de Varias Plantas: Parte 1 ............................................... 243
1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 EL ESQUEMA ESTRUCTURAL ...................................................................... 3 PILARES....... ................................................................................................... 4 VIGAS............................................................................................................... 5 ESTRUCTURAS DE FORJADO ...................................................................... 6 ARRIOSTRAMIENTO....................................................................................... 7 SISTEMAS ESTRUCTURALES....................................................................... 8 REQUISITOS DEL DISEO............................................................................. 9 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 10 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ........................................................................... 246 247 248 250 252 254 256 259 262 262

Leccin 2.7.2: Introduccin al Diseo de Edificios de Varias Plantas: Parte 2 ............................................... 263
1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 266 VII

2 DE LOS EDIFICIOS DE VARIAS PLANTAS A LOS RASCACIELOS............ 3 CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LOS EDIFICIOS DE ACERO DE POCA ALTURA .......................................................................................... 4 SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA EDIFICIOS DE GRAN ALTURA ....... 5 MODELOS DE CLCULO ............................................................................... 5.1 Hiptesis bsicas ................................................................................... 5.2 Estructura articulada ............................................................................. 5.3 El arriostramiento de viga de celosa .................................................. 6 REQUISITOS SSMICOS DE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO................... 7 COMPORTAMIENTO CON CARGAS HORIZONTALES................................. 8 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 9 BIBLIOGRAFA ................................................................................................ 10 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ...........................................................................

267 270 272 277 277 278 279 283 284 287 287 287

Leccin 2.8: Aprender de los errores ..................................................... 289

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 2 ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES ESTRUCTURALES ............................ 2.1 Generalidades......................................................................................... 2.2 La relacin contractual.......................................................................... 2.3 Colapsos estructurales.......................................................................... 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 Puentes de viga cajn ............................................................... Puentes de vigas armadas ........................................................ Estructuras de lminas.............................................................. Edificios....................................................................................... 292 293 293 293 294 294 297 301 303 307 307 309

3 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 4 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ........................................................................... DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS ...........................................................

VIII

ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.1: Proceso de Diseo

OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Presentar el desafo que supone el diseo creativo y explicar los mtodos para su consecucin. nes estn relacionadas con ella de alguna manera, siendo las que ms afines: 2: Introduccin al Diseo, 16: Sistemas Estructurales: Edificios, 17: Sistemas Estructurales: Plataformas Petrolferas, 18: Sistemas Estructurales: Puentes, y 19: Sistemas Estructurales: Otras Estructuras.

CONOCIMIENTOS PREVIOS RESUMEN Se presupone un conocimiento general de la mecnica bsica aplicada. Se recomienda leer los tres libros de J. E. Gordon [1,2,3]. La leccin empieza con una definicin del diseo y con la enumeracin de algunos objetivos. En ella se explica de qu forma un proyectista puede enfocar un nuevo problema, en general, y cmo un proyectista de estructuras, en concreto, puede desarrollar un sistema estructural. Termina haciendo nfasis en los distintos enfoques del diseo para las diferentes clases de estructuras.

LECCIONES AFINES Al tratar esta leccin del proceso de diseo en trminos generales, casi todas las dems leccio-

1.

INTRODUCCIN: OBJETIVOS DEL DISEO

Los resultados de un buen proyecto de construccin pueden ser apreciados y utilizados por todo el mundo (vase la figura 1).

Figura 2 Garaje acabado

ducto para satisfacer una necesidad determinada. Abarca desde las primeras ideas conceptuales, pasando por el estudio de las necesidades humanas, hasta las fases detalladas tcnicas y de fabricacin, as como las ideas y los estudios plasmados en planos, textos y maquetas. Diseadores? Todos somos capaces de tener ideas conceptuales creativas; continuamente estamos procesando informacin y efectuando selecciones imaginativas conscientes provocando cambios. Los objetivos buscados en el diseo estructural son asegurar lo ms y mejor posible: el buen funcionamiento del objeto diseado durante el tiempo de vida til deseado. un sistema de construccin seguro, ejecutado a tiempo y ajustado al presupuesto original. una solucin imaginativa y agradable tanto para los usuarios como para los observadores. Estas premisas pueden cumplirse de dos maneras: realizando simplemente una copia exacta de un objeto anterior, o reinventando la rueda, diseando desde el principio todos los sistemas y componentes. Ninguno de estos dos enfoques extremos sern, con toda seguridad, completamente satis-

Figura 1 Escalas comparadas: edificios, puentes y plataformas petrolferas

La cuestin es: Cmo pueden los proyectistas profesionales desarrollar y producir proyectos mejores que los ya existentes, que beneficien y mejoren la realizacin de actividades humanas? En concreto, se trata de ver cmo puede utilizarse el acero eficazmente en estructuras para: viajar ms fcilmente por un terreno abrupto en el que son necesarios puentes. hacer que funcionen procesos industriales bsicos que requieran, por ejemplo, soportes para maquinaria, diques o instalaciones de plataformas de prospeccin petrolfera. ayudar en las comunicaciones que requieren postes. cerrar espacios en edificios, como en la figura 2. El diseo es el proceso mediante el cual se definen los medios de fabricacin de un pro-

INTRODUCCIN: OBJETIVOS DEL DISEO

factorio. En el primer caso, las condiciones pueden ser algo diferentes, y as, en el caso de que tomemos como modelo un puente original para disear otro nuevo, puede haber sucedido que aqul haya inducido un trfico mayor de lo previsto, o por que el peso de los vehculos haya aumentado. Las condiciones econmicas y materiales pueden tambin haber cambiado; los costes de mano de obra en la fabricacin de pequeos elementos y uniones incorporadas de acero pueden haberse visto incrementados en comparacin con los de los grandes elementos laminados o realizados con soldadura continua; asimismo, los aceros resistentes a la corrosin han reducido los costes de conservacin al hacer innecesarios algunos tratamientos superficiales. Con el tiempo puede que se hayan descubierto deficiencias de rendimiento, tales como roturas por fatiga provocada por vibraciones en las uniones. Las condiciones de consumo de energa pueden haber cambiado, por ejemplo en relacin con la descarga global de ciertos productos qumicos, el coste de fabricacin de ciertos materiales o la necesidad de un mayor control trmico de un espacio cerrado. Por ltimo, una repeticin excesiva de una solucin visual puede haber provocado hasto y una respuesta cultural adversa; por ejemplo, si todos los edificios adyacentes se han construido en el Estilo Postmoderno. En relacin con el segundo enfoque, la vida es a menudo demasiado corta para encontrar la solucin ptima y, mientras sta se busca, el cliente se impacienta. Los proyectos de estructuras e ingeniera civil son, por lo general, de gran envergadura y se presentan con poca frecuencia, y un cliente decepcionado no efectuar, lo ms seguro, un segundo encargo. La realizacin de ideas tericas nuevas e innovaciones requiere, invariablemente, mucho tiempo: la historia as lo demuestra una y otra vez. As pues, el anlisis metdico de los riesgos y errores potenciales debe atemperar el nimo innovador del entusiasta. Deben buscarse y hallarse soluciones creativas positivas para todos los aspectos de cada nuevo problema. Las soluciones incorporarn elementos de los extremos mencionados: tanto de principios fundamentales como de desarrollos recientes. Sin embargo, a lo largo de todo el proceso de diseo, lo prudente es mantener una visin clara de los objetivos finales y utilizar medios y soluciones tcnicas relativamente sencillas.

2.

CMO ENFOCA EL PROYECTISTA UN NUEVO PROYECTO?

Al comienzo de un nuevo proyecto, puede producirse un momento de pnico ciego. Existen diversos Mtodos de Diseo que ayudan a avanzar [4, 5] en el nuevo proyecto, aunque se sugiere el siguiente enfoque metodolgico: 1. Reconocer que existe un reto y definir claramente los objetivos generales de un proyecto (vase la figura 3).

4. Decidir cul es la mejor solucin y perfeccionarla (Evaluacin), estableciendo prioridades de accin claras (en trminos de fabricacin, construccin, utilizacin y mantenimiento). 5. Comunicar las decisiones tomadas a otras personas involucradas en el proyecto. A primera vista, estas cinco fases se presentan como una cadena lineal simple; de hecho, el proceso de proyectar es altamente complejo, ya que ninguno de los factores del diseo es, en mayor o menor grado, independiente. As existirn numerosos pasos y bucles dentro y entre las diversas fases, tal como se muestra en la figura 4. En el primer recorrido rpido por las fases 1, 2 y 3 se decidir si existe algn problema; por ejemplo, Justifica el volumen de trfico estimado la realizacin de un puente cmodo pero de alto coste?

Figura 4 Repeticin en la fase de diseo

Figura 3 Define el objetivo gobal (segn E. Torroja)

2. Investigar acerca del proyecto y recoger informacin que pueda ser relevante (Anlisis). 3. Deducir posibles soluciones del proyecto (Sntesis).

Desde la idea hasta los detalles, todos los factores y combinaciones deben explorarse exhaustivamente, ajustando detenidamente numerosos compromisos para llegar a una solucin factible. Las ideas pueden desarrollarse: verbalmente, por ejemplo, mediante una tormenta de ideas o por el mtodo razonamiento lateral de Edward de Bono [6], grficamente, numricamente o fsicamente. Una valoracin cualitativa debe seguir siempre a la evaluacin cuantitativa.

CMO ENFOCA EL PROYECTISTA...

As, el punto de partida del anlisis puede ser la nocin actual preconcebida del proyectista o la imaginacin visual, pero la sntesis revelar la flexibilidad de su mente para asimilar nuevas ideas de forma crtica, sin prejuicios. Un proyectista puede prepararse a s mismo para los compromisos, los cambios de parecer y la interaccin con otros miembros del equipo de diseo que conducirn al xito de la sntesis, mediante Juegos de Rol (vase por ejemplo el juego La Casa del Mono en el apndice 1).

3.

CMO DESARROLLA EL PROYECTISTA EL SISTEMA ESTRUCTURAL?

Observaremos, brevemente y a modo de ejemplo, el concepto constructivo y las diferentes fases de decisin para el diseo de un edificio para un garaje, con capacidad para dos camiones, dotado de oficina, lavabo y cafetera, que se muestra terminado en la figura 2. En este caso hipottico se presupone que el cliente ya ha tomado la decisin inicial de hacer proyectar y construir un edificio con estos requisitos.

3.1 Plantear un concepto inicial que pueda satisfacer bien las necesidades funcionales
La observacin de las funciones y del uso a que va estar destinada la estructura a cuyo diseo se enfrenta, es, sin duda alguna, la mejor idea para comenzar. Haga una lista de funciones individuales; seguidamente, genere un diagrama de flujos de las relaciones entre las diferentes reas funcionales para decidir las posibles localizaciones e interconexiones (vase la figura 5); Encuentre o suponga superficies de planta adecuadas y alturas libres mnimas de cada volumen. Puede resultar indicado, entonces, un plan de conjunto, anotando cualquier complicacin particular del local, como puede ser la forma de la planta, la proximidad de edificios antiguos, la pendiente o la consistencia del suelo.

Figura 6 Volmenes de espacio

Existirn otras muchas disposiciones posibles del conjunto que debern ser consideradas rpidamente en esta fase. Los requisitos de cada volumen y sus interconexiones deben examinarse bajo todos

Figura 5 Diagrama de burbuja

Figura 7 Incompatibilidades de diseo

CMO DESARROLLA EL PROYECTISTA...

previos, en la comprensin de construcciones reales [8-13], o en la teora estructural (vase la figura 9 a-d), as como en la disponibilidad de materiales y mano de obra cualificada en la zona. Pueden ser necesarias consultas iniciales con proveedores y fabricantes, p.ej. para grandes cantidades o calidades especiales de acero. La estructura de acero, con sus caractersticas de resistencia, isotropa y rigidez, y sus elementos lineales rectos y compactos, conduce por si misma a sistemas de prticos (vase la figura 9 e) que recogen y transmiten las principales cargas estructurales lo ms directamente posible a los cimientos, lo mismo que un rbol recoge las cargas de sus hojas, ramas y tronco principal y las transmite hasta las races.

Figura 8 Conceptos iniciales

los criterios funcionales, de coste y estticos. Como ejemplo, habr que considerar qu cargas no permanentes estructurales aplicadas deben resistir o qu requisitos de calefaccin, ventilacin, iluminacin y acsticos pueden ser precisos (vase la figura 6). Los criterios principales se reconocen con facilidad, y pueden ser aplicados y probados mediante anlisis numrico. Las incompatibilidades se pueden despejar reordenando los espacios planificados o adoptando otros compromisos (vase la figura 7); por ejemplo, Aceptara Vd. un telfono de oficina situado muy cerca del taladro del taller o del motor de los camiones, sin aislamiento acstico? Prepare un conjunto de hiptesis iniciales de posibles materiales y del sistema estructural de carga [7] de prticos, de elementos planos o de membrana, que pueda ser compatible con los volmenes, tal como se muestra en la figura 8. Estas hiptesis estarn basadas en conocimientos

Figura 9a Conceptos de carga

Media distancia cuando puede verse la totalidad del objeto construido Cerca cuando puede verse claramente un detalle Muy cerca cuando puede verse la textura de los materiales. La mayora de las veces deben cumplirse todas estas condiciones, especialmente en los edificios muy grandes. Algunas personas pueden hallar deficiencias si sus condiciones sociales mejoran o se producen fenmenos naturales o cambiantes; por ejemplo, la luz durante la puesta del sol da repentinamente un aspecto y un color completamente diferente o, cuando el sol se ha puesto la iluminacin interior crea efectos que no se haban observado anteriormente.

Figura 9b Conceptos de carga

Seguidamente (y de forma continua), ponga en claro y pruebe sus ideas realizando bocetos rpidos en tres dimensiones o maquetas sencillas para explorar la probable compatibilidad y el efecto esttico. Debe desarrollar una gama de dibujos evocadores y estimulantes vistos a diferentes distancias, desde los edificios, a su alrededor y del interior: Gran Distancia el dibujo de la silueta o croquis panormico
Figura 9c Prticos en 2-D bajo carga vertical

10

CMO DESARROLLA EL PROYECTISTA...

cantes, que debern tener unos conocimientos comunes de los principios bsicos del diseo) colaboren y se comuniquen libremente entre s -y tambin con el cliente- en esta fase conceptual del proyecto. No resulta fcil ni econmico rectificar en las fases ms detalladas del proyecto las decisiones incorrectas tomadas al principio. Est preparado para modificar el concepto fcilmente (utilice lpices 4B) y trabaje con rapidez. Los tiempos para un concepto inicial de proyecto (diseo) estructural se miden en segundos y minutos, pero sern necesarias horas para discutir y comunicar con los dems en busca de una idea de proyecto completo inicial.

3.2 Reconozca los principales sistemas estructurales y considere la resistencia y rigidez necesarias
Considere las cargas no permanentes aplicadas desde cubiertas,

Figura 9d Prticos en 2-D bajo carga horizontal

Con la utilizacin hbil del acero se pueden conseguir forma, color, calidad y definicin, especialmente con elementos a escala humana, aunque la repeticin no tardar en provocar hasto; pero los elementos deben considerarse nicamente como parte de una experiencia sensorial completa que debe incluir soluciones elegantes en todos los aspectos, especialmente en aqullos fcilmente visibles, de la totalidad del proyecto del edificio. Es muy importante que todos los profesionales (arquitectos, ingenieros de estructuras y de servicios de evaluacin del impacto ambiental, as como los principales proveedores y fabri-

Figura 9e Prticos en 3-D

11

pisos o paredes y trace lneas de carga a travs del conjunto integral tridimensional de elementos hasta los cimientos (vase la figura 10). El tejado debe estar formado por una cubierta de perfiles de acero, el agua de lluvia debe pasar a los lados y una tabla de datos del fabricante indicar el ngulo de inclinacin que se le debe dar (4 - 6 como mnimo) y la separacin necesaria entre correas. Esta separacin, a modo de ejemplo, suele ser de 1,4 m a 2,6 m. entre si, y deben estar soportadas, normalmente, cada 3 m - 8 m, por una viga princi- Figura 10 Sistema estructural principal pal o cercha inclinada, extendindose generalmente sobre la direccin ms corta en tados); Puede el terreno resistir un efecto planta y apoyada en columnas estabilizadas en adicional de vuelco en la base? tres dimensiones. o fijando rgidamente la parte superior de Las cargas del viento en el lado ms largo los pilares a las vigas principales (creando del edificio pueden ser soportadas por un cerraprticos) y utilizando cimientos ms miento que se extienda directamente hasta los pequeos, econmicos y articulados. pilares principales o a los carriles de las paredes laterales entre pilares. Los pilares pueden resisLas cargas del viento sobre el lado corto tir el vuelco: abierto del edificio pueden resistirse mediante la puerta de apertura que se extiende por la parte mediante arriostramiento en cruz de San superior o inferior o de lado a lado. En el lado Andrs (en este caso una puerta grande de corto cerrado las cargas del viento pueden resisentrada quedara obstruida). tirse mediante un cerramiento que se extienda directamente entre los pilares secundarios en los o fijando rgidamente los pilares a los extremos de la pared o sobre los carriles hasta cimientos (pilares de extremo libre conecdichos pilares. En ambos extremos del edificio, es probable que se produzcan esfuerzos longitudinales en la parte superior de los pilares. Pueden introducirse arriostramientos reforzados, generalmente en ambos extremos de la chapa de la cubierta, para transmitir estas cargas a la parte superior de una nave de pilares en el lado largo, que debe entonces arriostrarse al suelo.
Figura 11 Regla del pulgar para estimacin muy preliminar del tamao

Identifique la accin de las fuerzas principales (compresin C;

12

CMO DESARROLLA EL PROYECTISTA...

cule lo siguiente (vase la figura 12): reacciones de las vigas y cargas de los pilares (llevando medio vano a uno de los lados de un pilar interno). momentos de flexin mximos, por ejemplo wL2/8 para una viga apoyada en los extremos, sometida a carga uniforme. esfuerzos cortantes mximos en las vigas.
Figura 12 Dimensionado aproximado del tamao de elementos

traccin T; flexin B) en los elementos y las formas probables de las deformaciones generales por flexin y de los elementos para todas las cargas aplicadas, tanto por separado como cuando se combinen. Resulta siempre til dibujar los elementos a una escala aproximada, lo cual se puede hacer fcilmente utilizando las tablas de datos de cubiertas y cerramientos facilitadas por el fabricante, mediante la observacin de edificios similares existentes o utilizando procedimientos empricos; por ejemplo, la relacin vano/canto para una viga apoyada en los extremos es aproximadamente igual a 20 para una carga uniforme de una cubierta ligera (vase la figura 11). En esta fase el diseo estructural se hace ms preciso (utilice lpiz B) y requiere ms tiempo. Escala de tiempos: minutos.

valores de flecha, por ejemplo (5/384)wL4/EI para una viga apoyada en los extremos con carga uniforme.

Las dimensiones de los pilares que soportan un momento escaso pueden estimarse a par-

3.3 Valore las cargas con precisin y estime las dimensiones de los elementos principales
Estime la carga permanente de la construccin y, con las cargas no permanentes, calFigura 13 Anlisis final y detalles

13

tir de Tablas de Carga Admisible, utilizando una longitud de pandeo adecuada. Deben preverse momentos de flexin importantes mediante un incremento adecuado, por ejemplo, dos veces o ms, en el momento resistente de la seccin transversal para el eje de flexin. Las dimensiones de las vigas deben estimarse comprobando la resistencia a la flexin y la rigidez con flechas mximas. La integracin en la estructura de conductos de servicio o tuberas puede requerir que las vigas tengan mayor o menor canto y altura y taladros en el alma. Los mtodos probables de unin deben considerarse detenidamente: deber la viga estar simplemente apoyada o completamente continua, y cules son las implicaciones de fabricacin, montaje y costes? Los clculos estructurales van a realizarse ahora (utilice un lpiz HB con una regla de clculo, una calculadora sencilla o un ordenador), y requerirn ms tiempo. Escala de tiempos: minutos/horas.

tes en la rigidez de los elementos, deber repetirse el anlisis. El papel de las alas y almas de cada elemento en la resistencia a las fuerzas locales dentro de las conexiones tambin debe considerarse muy atentamente cuando se determinen las dimensiones finales de los elementos. Una rigidizacin excesiva en perfiles ligeros puede ser prohibitiva en cuanto a costes. El anlisis no puede terminar sin una integracin estructural cuidadosa y la consideracin de la compatibilidad del conjunto del sistema de construccin, incluidos sus detalles de fabricacin.

3.4 Anlisis estructural completo, utilizando elementos de dimensiones estimadas con diseo adecuado de uniones, relativo a detalles reales
Realice un anlisis estructural completo de la estructura, plstica o elsticamente. Puede utilizarse un ordenador, aunque algunas tcnicas manuales resultarn a menudo adecuadas; el primero de los anlisis resulta apropiado cuando se requieren flechas precisas (vase la figura 13). Para el anlisis de estructuras estadsticamente indeterminadas, una estimacin inicial de la rigidez (I) de los elementos y de las uniones debe determinarse segn la tercera fase anterior, antes de que sea posible hallar la disposicin de los momentos de flexin y las flechas. Si la posterior comprobacin del diseo de los elementos conduce a cambios importan-

Figura 14 Comunicaciones

Las uniones de elementos, por lo general, se prepararn en fbrica mediante soldadura y las uniones de elementos grandes no transportables se terminarn normalmente con tornillos en la obra. Los arriostramientos, cubiertas y revestimientos, por lo general, se fijarn en la obra con tornillos o tornillos autorroscantes. Es importante recordar que las roturas ms frecuentes se producen por uniones incorrectas, detalles y su integracin. Ahora los clculos estructurales y los detalles avanzan (utilice un lpiz HB con regla de clculo, calculadoras y ordenadores). Escala de tiempos: horas/das. La repeticin de las fases 1- 4 anteriores ser sin duda necesaria, en particular para asegurarse de que las primeras decisiones estructurales sean compatibles con las subsi-

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CMO DESARROLLA EL PROYECTISTA...

3.6 Supervise la ejecucin
En todas las fases de la ejecucin debe asegurarse la estabilidad de la estructura (vase la figura 15). En el lugar y el momento apropiados debe disponerse de componentes de alta calidad y montadores expertos, lo que requiere una organizacin muy cuidada. Si todo va segn los planes cada pieza se ajustar en el conjunto completo. En este momento se ponen en prctica las ideas de la concepcin (utilice botas de goma). Escala de tiempos: semanas/meses.

Figura 15 Ejecucin

guientes investigaciones relativas a los aspectos funcionales, medioambientales, econmicos y estticos. Debe considerarse el efecto de cualquier cambio en la totalidad del proyecto. Normalmente, los cambios requerirn un proyecto parcial.

3.7 Realice un mantenimiento regular

nicamente ser necesario el mantenimiento regular planificado por completo en el proyecto, con algn cambio y renovacin ocasionales necesarios por los cambios de uso u ocupacin. No debe ser necesaria la correccin de defectos de diseo debidos a innovaciones y errores. sta es la fase de utilizacin. Adopte una visin serena de la vida! Escala de tiempos: aos/dcadas.

3.5 Comunique el objeto del diseo mediante planos y especificaciones

Prepare planos detallados y pliegos de condiciones para las licitaciones de fabricantes (vase la figura 14). Puede ser de nuevo necesaria la repeticin del proyecto, debido a desviaciones en los precios y/o mtodos de los fabricantes (por ejemplo el equipo de soldadura disponible, dificultades para manipular estructuras de acero en el taller de fabricacin o para su transporte y montaje). Los cambios e innovaciones en el proyecto deben comunicarse y especificarse muy cuidadosa y explcitamente. En muchos casos es una prctica frecuente que un Ingeniero Consultor de Estructuras prepare proyectos preliminares con una seleccin de secciones principales, dejando que un fabricante de estructuras metlicas finalice el proyecto de detalle y el sistema de uniones, antes de comprobarlo con el Consultor. El diseo estructural ya se est terminando (utilice lpices de 2 a 4 H y plumas, u ordenadores). Escala de tiempos: das/semanas.

3.8 Diferencias de nfasis en el enfoque del diseo respecto al diseo de un edificio de tamao medio 3.8.1 Viviendas unifamiliares
La mayor parte de las viviendas construidas de forma tradicional incluyen algunos elementos estndar de acero. P.ej. vigas de acero laminado en caliente para los vanos de espacios grandes o para soportar paredes, pilares de seccin hueca para cajas de escale-

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ras, dinteles laminados en fro sobre aperturas de ventanas, as como clavos, tornillos y placas de refuerzo. Pueden incorporarse perfiles de acero galvanizado laminado en fro en vigas de celosas y reemplazar a la madera en el caso de elementos repetitivos. Pueden incorporarse secciones similares en paredes, pero la proteccin contra incendios de las secciones de pared delgada requiere una gran atencin, especialmente en las casas de varias plantas. En las casas puede utilizarse una viga principal estructural de acero, pero debe proyectarse apropiadamente la integracin de los servicios, la proteccin contra incendios en edificios de varias plantas, la corrosin y los costes de fabricacin de uniones portantes. Para el exterior pueden utilizarse varios tipos de cerramientos en perfiles o en paneles compuestos.

viento son importantes en las estructuras de grandes vanos. La accesibilidad del lugar, la viabilidad de la ejecucin de cimientos de gran masa, el tipo de estructura de tableros y los costes de conservacin regular determinarn el sistema adoptado. Es importante la esttica para los usuarios y otros observadores; la escala a larga distancia debe ser adecuadamente esbelta, pero psicolgicamente fuerte; es necesaria una atencin particular a la visin muy cerca de los estribos y la parte inferior del tablero.

3.8.3 Plataformas petrolferas

La escala de todo proyecto ser muchas veces superior a la de un edificio en tierra. La carga de gravedad, la velocidad del viento, la altura de las olas y la profundidad del agua constituyen parmetros de diseo importantes para la magnitud y la estabilidad de la estructura (en este caso, los elementos mayores provocan mayores cargas de viento y olas). La escala de la estructura plantea asimismo problemas especiales de control de fabricacin, botadura, anclaje en profundidad realizado por buzos y, no menos importante, coste (vase la figura 1). Posteriormente, al trmino de la vida til de la estructura, los problemas de desmantelamiento deben verse facilitados si se han tenido en cuenta durante el diseo inicial.

3.8.2 Puentes
Las magnitudes de las cargas de gravedad son a menudo relativamente mayores en los puentes, y deben valorarse pautas de carga particulares; asimismo, se producirn series de cargas por ruedas, con un marcado efecto dinmico. Los efectos dinmicos de las cargas de

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BIBLIOGRAFA
4. RESUMEN FINAL
En esta leccin se presenta el reto del proyecto creativo y se sugiere una estrategia global para proyectar estructuras de acero. Se pretende responder a preguntas sobre lo que un diseador est intentando conseguir y cmo puede empezar a poner la pluma sobre el papel. Se ilustra cmo repetir con xito el proyecto desde las ideas cualitativas hasta la verificacin cuantitativa y la ejecucin final. El diseo creativo e imaginativo de estructuras resulta fascinante y divertido. Ahora intntelo de nuevo y gane confianza en s mismo. No tenga miedo de cometer errores. stos slo se eliminarn repitiendo y explorando muchas otras soluciones. Asegrese de que el diseo es correcto antes de construir, utilizando sus propios mecanismos personales de comprobacin. Un buen tratado sobre el diseo funcional y los factores humanos que afectan a la creacin de artefactos: sin ilustraciones profusas. [7] LeGood, J. P, Principles of Structural Steelwork for Architectural Students, SCI, 1983 (Amended 1990). Una introduccin general y gua de consulta de edificios para estudiantes. [8] Francis, A. J, Introducing Structures, Pergamon, 1980. Un buen compendio de texto, especialmente el captulo 11 sobre el Diseo de Estructuras. [9] Lin, T. Y. and Stotesbury, S. D, Structural Concepts and Systems for Architects and Engineers, Wiley, 1981. Los captulos 1- 4 proporcionan un enfoque sencillo y completo al diseo total de estructuras, especialmente para edificios altos. [10] Schodek, D. L, Structures, Prentice Hall, 1980. Un buen enfoque claro e introductorio a la comprensin estructural de conceptos simples, tambin especialmente el captulo 13 sobre emparrillados y dibujos estructurales para edificios. [11] Otto, F, Nets in Nature and Technics, Institute of Light Weight Structures, University of Stuttgart, 1975. Uno de los excelentes libros de Otto en el que se observan dibujos de la naturaleza y se realizan o sugieren posibles formas de diseo. [12] Torroja, E, Philosophy of Structures, University of California Press, 1962. Sigue siendo un libro de consulta nico. [13] Mainstone, R. J, Developments Structural Form, Allen Lane, 1975. in

5.

BIBLIOGRAFA

[1] Gordon, J. E. The New Science of Strong Materials, Pelican. [2] Gordon, J. E. Structures, Pelican. [3] Gordon, J. E. The Science of Structures and Materials, Scientific American Library, 1988. [4] Jones, J. C. Design Methods, Wiley 2nd Edition 1981. Un buen compendio de los mtodos y tcnicas generales de diseo. [5] Broadbent, G. H. Design in Architecture, Wiley, 1973. [6] De Bono, E. eg: Lateral Thinking or Practical Thinking or The Use of Lateral Thinking, Pelican. Los captulos 2, 13, 19 y 20 resultan tiles para disear edificios.

Un excelente trabajo histrico erudito, tambin el captulo 16 sobre Comprensin y Diseo Estructurales.

17

APNDICE 1

APNDICE 1
El juego de rol La Casa del Mono para un grupo de estudiantes en un seminario, figura 16

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APNDICE 1
Se crean entre 10 y 12 roles de accin, uno por cada estudiante del grupo, para considerar los requisitos e interacciones del diseo. Cada participante ve un croquis general de un posible edificio y dispone de unos 3 minutos para preparar los requisitos de su rol, lo que le gusta y lo que no le gusta. Seguidamente expone estos requisitos durante 2/3 minutos a los dems participantes que no le interrumpen y que anotan los puntos de acuerdo/desacuerdo. Cuando todos los participantes han hablado, los participantes discuten y exploran en general los numerosos conflictos durante unos 30 minutos. Seguidamente la persona que dirige el juego busca una conclusin: para quin es realmente La Casa del Mono?

Figura 16 La casa del mono: un divertido juego para todo el ao

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.2.1: Principios de Diseo

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Explicar los objetivos del diseo estructural y su problemtica; resear cmo pueden influir en el diseo las diferentes prioridades y describir diferentes enfoques para cuantificar el proceso de diseo. RESUMEN Se explican los objetivos fundamentales del diseo estructural. Se consideran los problemas asociados, el diseo de las estructuras en trminos de carga y propiedades del material. Se repasa brevemente el desarrollo de mtodos de diseo estructural en relacin con aspectos del diseo tales como flechas, vibracin, resistencia a las fuerzas y fatiga. Se incluyen temas de construccin y mantenimiento. Se hace hincapi en la importancia de considerar estos aspectos y otros, como la adaptacin de servicios y los costes de revestimiento, en el desarrollo de un diseo eficaz. Se consideran las responsabilidades del proyectista y la necesidad de una comunicacin efectiva.

LECCIONES AFINES Leccin 2.1: Leccin 2.3: Proceso de Diseo Bases para la Determinacin de Cargas Aprender de los Errores Calidades y Tipos de Acero Seleccin de la Calidad del Acero

Leccin 2.8: Leccin 3.4: Leccin 3.5:

25

1.

INTRODUCCIN

Los objetivos concretos del diseo estructural varan de un proyecto a otro. En todos los casos, la prevencin del colapso es un requisito importante - tal vez el ms importante- y , por ello, debe adoptarse un coeficiente de seguridad adecuado. En este contexto, la estructura debe ser proyectada para cumplir con los requisitos de resistencia y estabilidad. Estos conceptos se ilustran en la figura 1, en la que se muestra una barra larga y delgada sometida a traccin (figura 1a) y compresin (figura 1b). En el caso de la traccin, la resistencia a la carga de la barra est regida por la capacidad del material para resistirla sin romperse. La barra slo puede soportar esta carga en compresin si permanece estable, es decir, si no se deforma significativamente en una direccin perpendicular a la lnea de accin de la carga aplicada. La rigidez de la estructura es otra caracterstica importante que tiene que ver ms con la resistencia a la deformacin que con el colapso. Ello resulta de particular importancia en el caso de las vigas, cuya flecha bajo una carga particular est relacionada con su rigidez (figura 1c). Las grandes deformaciones no estn necesariamente asociadas con el colapso, y algunos materiales frgiles, como el vidrio, pueden romperse con una escasa deformacin previa. Puede ser necesario incluir otras consideraciones en el proceso de diseo. stas son: comportamiento cuantificable como deformacin, fatiga, resistencia al incendio y comportamiento dinmico; consideraciones como la corrosin y la adaptacin de servicios que pueden influir tanto en los detalles como en el concepto general, pero de una forma ms cualitativa; y la esttica, que depende en gran medida de valoraciones subjetivas. Adems, es muy probable que las consideraciones econmicas influyan considerablemente en la gran mayora de los diseos estructurales. En este contexto son relevantes los aspectos de rapidez y facilidad de construccin, los costes de mantenimiento y de explotacin, as como los costes bsicos del edificio. La importancia relativa de cada uno de estos factores variar segn las circunstancias. Del enfoque del diseo estructural se trata en la leccin 2.1, en la que se describe cmo el

Figura 1 Tipos de fallos

proyectista puede empezar a acomodar gran cantidad de requisitos diferentes, muchos de los cuales ejercern presiones conflictivas. Esta leccin se centra en la forma de conseguir un diseo estructural satisfactorio a travs de un anlisis racional de diversos aspectos del comportamiento de la estructura. Vale la pena hacer hincapi en el hecho de que el proceso de diseo estructural en su conjunto puede considerarse integrado por dos grupos de fases estrechamente interrelacionadas. En el primer grupo se define la forma general de la estructura, por ejemplo prtico rgido o muros de carga, la disposicin de los elementos estructurales (normalmente en trminos de un emparrillado estructural) y el tipo de elementos y materiales estructurales que se van a utilizar, por ejemplo vigas y columnas de acero y suelos compuestos. Se requiere un alto grado de creatividad. La sntesis de una solucin se desarrolla sobre la base del profundo conocimiento de un amplio abanico de temas. Estos temas incluyen el comportamiento de las estructuras y los materiales, as como un sentido de las implicaciones detalladas que tendrn las decisiones que se tomen en esta fase, por ejemplo, reconocer el canto que deber tener una viga para una funcin en particular. Los mtodos for-

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INTRODUCCIN
malizados resultan escasamente tiles en esta fase. Una solucin satisfactoria depende en mayor medida de la capacidad creativa del proyectista. En las fases posteriores se determinan con ms detalle las dimensiones de los componentes estructurales y las uniones entre ellos. A estas alturas, el problema ya est claramente definido y el proceso se puede formalizar ms. En el caso de las estructuras de acero, el proceso comprende, por lo general, la seleccin de una magnitud apropiada de los perfiles normalizados, aunque en algunas circunstancias el proyectista puede desear utilizar un perfil no normalizado cuya ejecucin requerir, generalmente, soldar chapas o perfiles normalizados para formar vigas de alma llena o de celosa. Las normas de diseo desempean un papel importante en esta fase del diseo detallado de los elementos. Su intencin es ayudar a garantizar que los edificios se proyecten y construyan de forma que sean seguros y cumplan su funcin. Esta normativa puede variar considerablemente en su alcance y contenido. Puede basarse simplemente en normas de rendimiento, dejando al proyectista una gran flexibilidad en cuanto a cmo alcanzar una solucin satisfactoria. Un ejemplo de ello son las leyes de construccin publicadas por el Rey Hammurabi de Babilonia en torno al 2200 a.C.. Estn conservadas en forma de escritura cuneiforme en una tabla de arcilla e incluyen disposiciones tales como Si un constructor construyere una casa para un hombre y no hiciere su construccin firme, y si la casa que ha construido se colapsare y provocare la muerte de su propietario, ese constructor ser ejecutado. Si provocare la muerte del hijo del propietario de la casa, se ejecutar a un hijo del constructor. Si provocare la muerte de un esclavo del propietario de la casa, el constructor entregar al propietario un esclavo del mismo valor. El peligro, y al mismo tiempo el atractivo, de tal enfoque es que depende en gran medida de la capacidad del proyectista. No incluye exigencias formales basadas en el buen criterio actual y el ingeniero tiene libertad para justificar el diseo de cualquier manera. El otro extremo lo constituye un conjunto de normas de diseo altamente preceptivas que proporcionan recetas para soluciones satisfactorias. Puesto que stas pueden incorporar los resultados de la experiencia previa acumulada a lo largo de muchos aos, y complementados por trabajos de investigacin ms recientes, podran parecer ms seguras. Sin embargo, este enfoque no puede aplicarse a las fases conceptuales del diseo y existen muchos casos en los que las circunstancias reales a las que se enfrenta el proyectista difieren, de alguna manera, de las previstas en las normas. Existe asimismo el riesgo psicolgico de que a tales normas de diseo se les presuponga una validez absoluta y se adopte una fe ciega en los resultados que se vayan a obtener utilizndolas. Est claro que ambos enfoques tienen su papel que desempear. Quiz lo mejor sera especificar unos criterios de rendimiento satisfactorio para reducir al mnimo la posibilidad de colapso o de cualquier otro tipo de fallo. Los ingenieros tendran entonces libertad para cumplir con los criterios de diferentes maneras, pero tambin disponer de datos para utilizarlos si fuese preciso. El aspecto ms importante es, quizs, la actitud del ingeniero, que debe basarse en el sentido comn e incluir un elemento de saludable escepticismo en cuanto a las propias normas de diseo.

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2.

LAS INCERTIDUMBRES EN DISEO ESTRUCTURAL

La simple cuantificacin del proceso de diseo, utilizando sofisticadas tcnicas analticas y potentes ordenadores, no elimina las incertidumbres asociadas al diseo estructural, aunque puede reducir algunas. Estas son: cargas leyes constitutivas del material modelizacin de la estructura imperfecciones estructurales Las cargas se explican con mayor detalle en la leccin 2.3. Aunque es posible cuantificar las cargas de una estructura, es importante reconocer que en la mayora de los casos estas cargas representan poco ms que una estimacin de la intensidad probable de la carga mxima a la que una estructura estar expuesta. Algunas cargas, como el peso propio de la estructura, pueden resultar ms fciles de definir que otras, como la carga del viento o las ondas de gravedad en las estructuras martimas. Sin embargo, existe un alto grado de incertidumbre asociado a todas las cargas y esto debe reconocerse siempre. Las leyes constitutivas se basan normalmente en los resultados de ensayos realizados con muestras pequeas. Por comodidad, la representacin matemtica del comportamiento, por ejemplo en forma de curva de tensin-deformacin, se considera de forma simplificada a los efectos del diseo estructural. En el caso del acero, la representacin normal es el comportamiento elstico lineal hasta el lmite elstico con comportamiento plstico a deformaciones mayores (figura 2). Aunque esta representacin da una medida razonable del comportamiento del material, est claro que no es absolutamente precisa. Adems, todo material presentar una variabilidad natural, normalmente, dos muestras tomadas del mismo lote fallarn a tensiones diferentes en los ensayos. Comparado con otros materiales, el acero es notablemente consistente a este respecto pero, no obstante, las desviaciones existen y representan otra fuente de incertidumbre.
Figura 2 Propiedades mecnicas del acero

Los mtodos de anlisis del comportamiento de las estructuras han avanzado significativamente en los ltimos aos, en particular gracias al desarrollo de las tcnicas informatizadas. A pesar de ello, el anlisis estructural se basa siempre en una cierta idealizacin del comportamiento real. En algunos casos, como las vigas aisladas soportadas en apoyos simples, la idealizacin puede ser bastante precisa. En otras circunstancias, sin embargo, la diferencia entre el modelo y la estructura real puede ser bastante significativa. Un ejemplo de ello es la cercha a la que, normalmente, se le suponen uniones articuladas, aunque de hecho las uniones pueden ser bastante rgidas y algunas barras pueden ser continuas. La presuncin de que las cargas se aplican solamente en los nudos puede no ser realista. Aunque estas simplificaciones pueden resultar adecuadas en la

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LAS INCERTIDUMBRES EN DISEO...

modelizacin del comportamiento general, deben reconocerse las implicaciones, al menos en lo que se refiere a efectos secundarios. absolutas; el desgaste de la maquinaria y las inevitables desviaciones en el proceso de fabricacin provocarn pequeas desviaciones que deben reconocerse. Del mismo modo, aunque la construccin en acero se realiza con unas tolerancias mucho ms estrechas que en la mayora de los materiales estructurales, se producirn algunas desviaciones (por ejemplo en la alineacin de barras individuales) (figura 3). Al adoptar un enfoque cuantificado del diseo estructural deben reconocerse y tenerse en cuenta todas estas incertidumbres. Se prevn con los medios siguientes: especificando niveles de carga que, basados en la experiencia previa, representen las peores condiciones que puedan darse en un tipo particular de estructura. especificando un procedimiento de toma de muestras, un plan de ensayos y lmites en las propiedades del material. especificando lmites o tolerancias de fabricacin y de ejecucin. utilizando mtodos de clculo apropiados, reconociendo la diferencia entre el comportamiento real y el comportamiento idealizado. Estas medidas no eliminan las incertidumbres, sino simplemente ayudan a controlarlas dentro de lmites definidos.

Figura 3 Imperfecciones geomtricas en seccin transversal y a lo largo de la longitud de perfiles laminados (exageradas)

Otra fuente de incertidumbre procede de las imperfecciones de la estructura, que son de dos tipos: geomtricas, es decir, desviacin de la rectilineidad o desajuste, y mecnicas, es decir, tensiones residuales debidas a los procesos de trabajo de taller o a la falta de homogeneidad de las propiedades del material. No es posible fabricar perfiles de acero conforme a dimensiones

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3.

DISEO PARA EVITAR EL COLAPSO

permiti a los ingenieros determinar el efecto (sobre componentes estructurales individuales) de las fuerzas aplicadas a una estructura completa. Los ensayos de materiales proporcionaron informacin sobre la resistencia y, en el caso del hierro y el acero, otras caractersticas como el lmite elstico. Naturalmente, a menudo se daban grandes desviaciones en los valores medidos, como ocurre incluso en la actualidad con algunos materiales. Normalmente, al objeto de garantizar un diseo seguro, en los resultados de los ensayos se adoptaba para la resistencia un lmite inferior, un valor por debajo del cual no caan los datos experimentales. Reconociendo algunas de las incertidumbres asociadas a los mtodos de diseo basados en el clculo, las tensiones en condiciones de carga mxima de servicio se limitaban a un valor igual al lmite elstico dividido por un factor de seguridad. Este factor de seguridad se especificaba de una forma aparentemente arbitraria, siendo los valores de 4 o 5 algo bastante normal. Este enfoque proporcion las bases para casi todo el clculo esttico estructural hasta hace muy poco y, para algunas aplicaciones, se sigue utilizando en la actualidad. A medida que el conocimiento del comportamiento de los materiales ha aumentado y se han racionalizado ms los factores de seguridad, las especificaciones de resistencia tambin han cambiado. Los cambios en la prctica de construccin y el desarrollo de materiales nuevos y ms resistentes han impuesto modificaciones detalladas de las normas de diseo, en particular respecto al comportamiento a pandeo. No obstante, el enfoque bsico sigui siendo el mismo hasta hace muy poco, cuando ciertas limitaciones del diseo clsico, basado en la resistencia admisible, se hicieron aparentes. Estas limitaciones pueden resumirse del modo siguiente: i no se reconocen diferentes niveles de incertidumbre asociados a los diferentes tipos de carga. ii tipos diferentes de estructura pueden tener coeficientes de seguridad muy distintos en

3.1 Antecedentes
El diseo estructural no es algo nuevo. Desde que el hombre empez a construir (viviendas, lugares de culto, puentes) sigui alguna filosofa de diseo, aunque a menudo de forma inconsciente diseos anteriores. Cuando se introducan innovaciones o modificaciones, las tcnicas de tanteo era lo nico de lo que se dispona. Como resultado de ello, muchas de las estructuras que se construan, o se construan parcialmente ,o colapsaban ,o sus prestaciones eran inadecuadas. An as, estos fallos resultaban positivos en la medida en que contribuan a acumular conocimientos sobre lo que era viable o no. Este enfoque emprico persisti durante muchos siglos. Incluso hoy en da forma parte del enfoque adoptado en el diseo. A menudo se utilizan reglas y recomendaciones empricas basadas ampliamente en la experiencia previa. La tcnica de la construccin tampoco est libre de fallos en la actualidad, a pesar de la aparente sofisticacin de los mtodos de diseo y de la potencia de los ordenadores. Los colapsos dramticos de puentes de vigas en cajn a principios de los aos setenta fueron una triste muestra de lo que puede ocurrir cuando los nuevos desarrollos van demasiado por delante de la experiencia existente. La aparicin de nuevos materiales, especialmente el hierro colado y pudelado, hicieron necesario una nueva orientacin y el desarrollo de mtodos ms cientficos. El nuevo enfoque inclua ensayos de muestras de material y pruebas de carga de componentes y conjuntos estructurales. De este modo se justificaban a veces tambin nuevos conceptos, por ejemplo en el caso del puente Forth Rail. Los primeros pasos para racionalizar el diseo de estructuras de un modo cuantitativo se produjeron a principios del siglo XIX con el desarrollo del anlisis elstico. Este tipo de anlisis

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DISEO PARA EVITAR EL COLAPSO

trminos de colapso y estas diferencias no se evidencian de ninguna forma cuantificable. iii no se reconoce la ductilidad ni la reserva de resistencia posterior al lmite elstico caracterstica de las estructuras de acero. La ltima de estas limitaciones fue superada por el trabajo de Baker [1] y sus colaboradores en los aos treinta, cuando se desarroll el clculo plstico. Este mtodo se basaba en asegurar un coeficiente global de seguridad contra el colapso, previendo el fallo localizado con una redistribucin de las tensiones de flexin. Beal [2] aporta una comparacin del clculo elstico y el clculo plstico. Una vez reconocidos los inconvenientes del mtodo de diseo basado en la tensin admisible, se ha adoptado un enfoque alternativo conocido como el diseo basado en estados lmites. En la actualidad, para la mayora de los tipos y materiales estructurales, hay procedimientos bien establecidos de diseo basado en estados lmites. El enfoque reconoce la inevitable variabilidad e incertidumbre en la cuantificacin de las prestaciones estructurales, incluidas las incertidumbres de las caractersticas de los materiales y los niveles de carga. Idealmente, cada incertidumbre se trata normalmente de una forma similar empleando tcnicas estadsticas para identificar valores tpicos o caractersticos y el grado de desviacin que se puede esperar de esta norma [3]. Entonces es posible derivar factores de seguridad parciales que son consistentes, uno para cada aspecto de incertidumbre del diseo. As, por ejemplo, a diferentes tipos de carga se les aplican coeficientes diferentes. Seguidamente se examinan varios estados lmites de la estructura. En ese caso, la estructura se proyecta para fallar en condiciones de carga ponderadas, lo que da una idea de los mrgenes de seguridad ms clara de la que se tena anteriormente con el clculo de la tensin admisible. debe asegurar una estabilidad adecuada, tanto de la estructura completa (en funcin de su forma general) como de cada parte de la misma (dependiendo de las proporciones y materiales de cada barra). Esta ltima se resuelve generalmente modificando la resistencia del material segn las condiciones individuales. La estabilidad general resulta mucho ms difcil de cuantificar y debe estudiarse cuidadosamente en la fase inicial del diseo de la estructura. En este sentido, la estabilidad de la estructura puede definirse por las condiciones en las cuales una estructura ni se colapsar (completa o parcialmente) debido a cambios menores, por ejemplo de su forma, estado o carga normal, ni ser indebidamente sensible a acciones accidentales. En la figura 4 se muestran algunos ejemplos.

Figura 4 Ejemplos de disposiciones estructurales potencialmente inestables

3.2 Estabilidad
Una resistencia inadecuada no es la nica causa de colapso. En particular, el proyectista

En el estudio de la estabilidad, la posicin de los principales elementos de apoyo debe proporcionar una va claramente definida para la transmisin de cargas, incluidos los efectos del viento y ssmicos sobre los cimientos. Al considerar las cargas del viento en los edificios es importante prever arriostramientos en dos planos verticales ortogonales, distribuidos de forma que se eviten efectos de torsin indebidos, y reconocer el papel de la estructura del forjado en

31

la transmisin de cargas del viento a estas reas arriostradas (figura 5). El arriostramiento puede efectuarse de varias maneras, por ejemplo mediante elementos de arriostramiento transversales o la accin de un prtico rgido.

dose de que el resto de la estructura es capaz de soportar la nueva distribucin de las cargas, aunque con un factor de seguridad menor. Las estrategias alternativas deben prever la disipacin de acciones accidentales, por ejemplo dando salida a las explosiones, y proteger la estructura, por ejemplo instalando protecciones para evitar el impacto de vehculos en las columnas (figura 6).

Figura 6 Estratgias alternativas para tratar con acciones accidentales

Naturalmente, debe asegurarse la estabilidad estructural cuando se realizan alteraciones en las estructuras existentes. En todos los casos debe considerarse muy cuidadosamente la estabilidad durante la ejecucin.

3.3 Robustez
La robustez se asocia a la estabilidad de muchas maneras. Formas de construccin que cumplen con la funcin primaria de acomodar condiciones de carga normales altamente idealizadas a efectos del diseo pueden no satisfacer una funcin secundaria cuando la estructura est sometida a condiciones de carga reales. Por ejemplo, normalmente se supone que el forjado de un edificio debe transmitir las cargas del viento en el plano horizontal a las posiciones arriostradas. La transmisin de las cargas del viento slo se consigue si existe una conexin adecuada entre el forjado y otras piezas de la estructura y fbrica del edificio y si la forma de construccin del propio forjado es adecuada.

Figura 5 Estabilidad en direccin transversal

La consideracin de acciones accidentales como explosiones o impactos resulta ms difcil, pero el principio consiste en limitar la extensin de los daos causados. Los daos pueden limitarse previendo cargas muy altas (no apropiadas generalmente) o previendo mltiples lneas de carga. En el diseo se deben considerar los daos locales que dejan ineficaces elementos individuales de la estructura, asegurn-

32

OTROS OBJETIVOS DEL DISEO

4. OTROS OBJETIVOS DEL DISEO

Aunque el colapso es una consideracin principal para el ingeniero de estructuras, existen muchos otros aspectos que deben ser considerados. Ninguno de estos aspectos puede cuantificarse y slo algunos de ellos se aplicarn normalmente. No obstante, para lograr una solucin con xito, el proyectista debe decidir qu consideraciones se pueden ignorar, cules son los criterios ms importantes en el desarrollo del proyecto y cules se pueden comprobar simplemente para asegurar unas prestaciones satisfactorias.

Figura 7 Componentes de flexin a considerar

donde 1 2 0 es la flecha debida a cargas permanentes es la flecha debida a cargas variables es la contraflecha (en su caso) de la viga sin carga.

4.1 Deformacin
La flecha de una estructura tiene mucho ms que ver con la rigidez que con la resistencia. Una flecha excesiva puede provocar varios efectos indeseables. Estos incluyen daos en los acabados (en particular cuando se utilizan materiales frgiles como vidrio o escayola), estancamiento de agua en cubiertas planas (que puede provocar fugas e incluso el colapso en casos extremos), alarma visual a los usuarios y, en casos extremos, cambios en el comportamiento estructural suficientes para provocar el colapso. Quiz el ejemplo ms frecuente de los efectos de la flecha se da en las columnas, que se disean principalmente para cargas de compresin pero que pueden verse sometidas a efectos de pandeo importantes cuando la columna se deforma en un plano horizontal, el llamado efecto P-delta. El enfoque normal en el diseo consiste en comprobar que las flechas calculadas no superan los niveles admisibles, que dependen del tipo de estructura y de los acabados empleados. Por ejemplo, los lmites de la flecha de las estructuras de cubiertas normalmente no son tan severos como los de las estructuras de los forjados. Al efectuar estas comprobaciones es importante reconocer que la flecha total mx est formada por varios componentes, como se muestra en la figura 7, esto es: mx = 1 + 2 0

Al controlar las flechas, a menudo es necesario considerar tanto mx como 2, aplicndose los lmites ms severos en el segundo caso. Aunque las flechas calculadas no proporcionan necesariamente una prediccin precisa de los valores probables, s dan una medida de la rigidez de la estructura. Por lo tanto, constituyen una gua razonable de las prestaciones de la estructura a este respecto. Con la tendencia hacia vanos mayores y materiales de mayor resistencia, en los ltimos aos el diseo basado en la flecha ha adquirido ms importancia. En muchos casos, esta consideracin dicta la magnitud de los elementos estructurales ms que su resistencia. En el caso de ciertas estructuras el control de la flecha tiene una importancia mxima. Ejemplos de ello son las estructuras que soportan gras elevadas y las que alojan equipamientos sensibles. El diseo basado en la flecha es probablemente la condicin crtica en tales casos.

4.2 Vibracin
Al igual que el comportamiento de la flecha, las caractersticas de vibracin de una estructura dependen de la rigidez ms que de la resistencia. El principio del diseo consiste en adoptar una solucin para la cual la frecuencia

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de la vibracin sea lo bastante diferente de la de cualquier fuente de excitacin, por ejemplo una mquina, para evitar la resonancia. La mayor longitud de los vanos, las estructuras ms ligeras y una reduccin de la masa y la rigidez de los tabiques y revestimientos han contribuido a reducir de forma generalizada las frecuencias naturales para las estructuras de los edificios. Se han registrado casos de incomodidad humana y el Eurocdigo 3 [4] especifica ahora una frecuencia natural mnima de 3 ciclos por segundo para los suelos en uso normal y 5 ciclos por segundo para los suelos de pistas de baile. Puede asimismo ser necesario considerar las oscilaciones excitadas por el viento en estructuras inusualmente flexibles como las de edificios muy esbeltos y altos, puentes de gran luz, cubiertas grandes y elementos inusualmente flexibles como tirantes ligeros. En estas estructuras flexibles deben estudiarse, con cargas de viento dinmicas, las vibraciones en el plano de la direccin del viento y perpendiculares a la misma, as como las vibraciones inducidas por las rachas y torbellinos. Las caractersticas dinmicas de la estructura pueden ser el criterio principal del diseo en tales casos.

una fase inicial del proyecto se considere cmo se va a obtener la resistencia al incendio de la estructura de acero. La adopcin de una solucin de diseo que puede resultar relativamente ineficiente en trminos de peso de acero en condiciones normales puede verse ampliamente compensada por el ahorro en proteccin contra el incendio (figura 8).

4.3 Resistencia al incendio

En el Tomo 6 se explican las previsiones de seguridad en el caso de incendio. Un requisito comn es que se mantenga la integridad estructural durante un periodo especificado a fin de que los ocupantes del edificio puedan abandonarlo y puedan realizarse las operaciones de lucha contra el incendio sin peligro de colapso de la estructura. En el caso de estructuras de acero pueden adoptarse estrategias de diseo alternativas para cumplir este requisito. El enfoque tradicional ha consistido en completar el diseo de la estructura en fro y prever algn tipo de aislamiento para la estructura de acero. Este enfoque puede representar una solucin costosa y, en la actualidad, se han desarrollado mtodos alternativos que permiten la reduccin, y en algunos casos la eliminacin completa, de la proteccin contra incendios. Para llevar a cabo estas alternativas de manera eficaz, es importante que en
Figura 8 Conceptos iniciales

Los edificios situados junto a otros locales pueden requerir una consideracin especial a fin de prevenir la propagacin del incendio a los locales adyacentes debido a un colapso estructural. Tambin para estos casos se han desarrollado procedimientos de diseo cuantitativos [5].

4.4 Fatiga
Cuando una estructura, o elementos individuales de la misma, estn sometidos a fluctuaciones importantes de tensin, puede producirse un colapso por fatiga despus de un cierto nmero de ciclos de carga a niveles de tensin muy por debajo de la resistencia esttica normal. Los principales factores que afectan al comportamiento en fatiga son el

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OTROS OBJETIVOS DEL DISEO

campo de tensiones experimentadas, el nmero de ciclos de carga y el entorno. Las estructuras que requieren una consideracin particular a este respecto son las vigas carril, los puentes de carreteras y ferrocarril, y las estructuras sometidas a ciclos repetitivos de vibracin procedente de maquinaria u oscilaciones inducidas por el viento. El Eurocdigo 3 [4] incluye orientaciones para el diseo. La instalacin de servicios puede tener implicaciones importantes en la rapidez, el coste y el detalle de construccin. En edificios con requisitos importantes de servicios, el coste de stos puede ser considerablemente mayor que el coste de la estructura. En tales circunstancias, puede ser mucho mejor sacrificar la eficiencia estructural en aras de la facilidad para acomodar los servicios. El diseo de los forjados , incluidos los acabados, la estructura, la proteccin contra incendios y los servicios, tiene implicaciones en otros aspectos de la construccin del edificio. Cuanto ms canto tenga el forjado, para un mismo nmero de plantas, mayor ser la altura total del edificio, y, por tanto, la cantidad de revestimiento externo necesario. En numerosos edificios comerciales se utilizan sistemas de revestimiento muy sofisticados y costosos. El ahorro en sistemas de revestimiento puede compensar ampliamente el uso de una construccin de forjado mas fino, pero menos eficiente. Cuando existe un control estricto de programacin de la altura total del edificio, puede incluso ser posible acomodar plantas adicionales de esta manera.

4.5 Ejecucin
Una de las principales ventajas de la estructura de acero es la rapidez a la que puede avanzar su ejecucin. Para aprovechar al mximo esta ventaja, puede ser necesario adoptar una solucin estructuralmente menos eficiente, por ejemplo utilizando el mismo perfil para todas las barras en la construccin de un forjado, incluso si unas viguetas reciben una carga menor que otras (figura 9). Debe evitarse el apuntalamiento temporal , al igual que los cambios posteriores de detalles que pueden afectar al trabajo de taller.

4.6 Mantenimiento
Todas las estructuras deben revisarse y mantenerse de forma regular, aunque es probable que algunas condiciones sean ms exigentes a este respecto. Por ejemplo, una estructura de acero en un ambiente interior seco y con calefaccin no sufrir corrosin, mientras que la estructura de un puente en una zona costera requerir planes de mantenimiento rigurosos. Algunas formas estructurales son ms fciles de mantener que otras y, cuando las condiciones de exposicin son severas, la facilidad para la inspeccin y el mantenimiento debe ser un criterio importante. Los objetivos principales en este contexto son evitar zonas inaccesibles, disponer registros para suciedad y humedad y utilizar perfiles individuales laminados o tubulares preferiblemente a conjuntos tipo cercha compuestos por perfiles ms pequeos.

Figura 9 Adoptar el mismo perfil para todos los miembros de un forjado podra ser poco eficaz en cuanto a uso de material, pero economiza la construccin

La estructura no debe ser considerada de forma aislada, sino tratada como una parte de la construccin completa, junto con los servicios, el revestimiento y los acabados. Adoptando un enfoque coordinado en el diseo, integrando las partes y eliminando o reduciendo los trabajos de albailera, puede incrementarse al mximo la velocidad de ejecucin de la totalidad del proyecto. Un buen ejemplo de ello es el sistema de emparrillado continuo bidireccional utilizado para la sede central de BMW en Bracknell y otros proyectos [6].

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5.

RESPONSABILIDADES DEL PROYECTO

Un ingeniero tiene la responsabilidad de asegurar que el diseo y los detalles de todos los componentes sean compatibles y cumplan con los requisitos generales del proyecto. Esta responsabilidad es de la mayor importancia cuando diferentes diseadores u organizaciones son responsables de partes individuales de una estructura como cimientos, superestructura y revestimiento. En este caso debera incluirse una valoracin de los planos de trabajo y otros documentos para verificar, entre todos, que los requisitos de estabilidad se hayan sido incorporados en todos los elementos y que puedan cumplirse durante la fase de ejecucin. Antes y durante la ejecucin es esencial la comunicacin efectiva entre los componentes del equipo de diseo, as como entre el diseador y el constructor. Una buena comunicacin ayudar a evitar conflictos potenciales del proyecto, por ejemplo cuando deben penetrar servicios en la estructura, as como para la realizacin segura de la estructura conforme a los planos y pliego de condiciones. El constructor puede asimismo necesitar informacin sobre los resultados de los estudios de obra y de terreno,

hiptesis de carga, resistencia a las cargas, lmites de las posiciones de uniones de construccin y posiciones de elevacin para barras que deban montarse como piezas individuales. Cuando sea necesario, debe elaborarse una memoria acompaada de croquis en la que se detalle cualquier requisito especial, por ejemplo cualquier diseo inusual o cualquier aspecto particularmente sensible de la estructura o la construccin. Esta memoria debe ponerse a disposicin del fabricante para que adopte las medidas apropiadas en lo referente a obras temporales y mtodos de ejecucin. El diseador debe ser informado de los mtodos de construccin propuestos, los procedimientos de montaje, el uso del equipo y las obras temporales. El programa de ejecucin y la secuencia de montaje deben acordarse entre el proyectista y el constructor. Una comunicacin plana y efectiva entre todas las partes involucradas ayudar no slo a promover una ejecucin segura y eficaz, sino que puede mejorar tambin conceptos y detalles del proyecto. El diseo no debe contemplarse como un fin en si mismo, sino como una parte importante de cualquier proyecto de construccin.

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BIBLIOGRAFA
6. RESUMEN FINAL
Existen muchos problemas asociados al diseo estructural. Por muchas potentes herramientas que haya disponibles, el ingeniero debe reconocer siempre que el modelo de diseo no es ms que una idealizacin y simplificacin de las condiciones reales. Un enfoque cuantificado del diseo estructural puede adoptar formas diferentes con vistas a proporcionar un marco para soluciones satisfactorias. La aplicacin de reglas de diseo debe combinarse con el sentido comn y el conocimiento. En el diseo estructural deben considerarse muchos aspectos, tanto de rendimiento como de costes. La solucin estructural ms eficiente puede no ser la solucin general ms eficiente si no se consideran de forma coordinada otros aspectos interdependientes de la construccin.

7.

BIBLIOGRAFA

[1] Baker, J.F., and Heyman, J. Plastic Design of Frames 1: Fundamentals, Cambridge University Press, 1969. [2] Beal, A.N. Whats wrong with load factor design?, Proc. ICE, Vol. 66, 1979. [3] Armer, G.S.T., and Mayne, J.R. Modern Structural Design Codes - The case for a more rational format, CIB Journal Building Research and Practice, Vol. 14, No. 4, pp. 212-217, 1986. [4] Eurocdigo 3 Design of Steel Structures ENV1992-1-1: Part 1: General Rules and Rules for Buildings, CEN, 1992. [5] Newman, G.J. The behaviour of portal frames in boundary conditions, Steel Construction Institute. [6] Brett, P.R. An alternative approach to industrial building, The Structural Engineer, Nov. 1982.

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.2.2: Bases de Diseo en Estado Lmite y Coeficientes de Seguridad

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Explicar los principios de diseo basado en estados lmite en el contexto del Eurocdigo 3: Diseo de estructuras metlicas. Proporcionar informacin sobre los coeficientes de seguridad parciales para cargas y resistencia y considerar cmo pueden justificarse los valores particulares. RESUMEN Se explica la necesidad de las idealizaciones estructurales en el contexto del desarrollo de anlisis cuantitativos y mtodos de diseo. Se comentan formas alternativas de introducir mrgenes de seguridad y el papel de las reglas de diseo. Se explican las bases de diseo estados lmite y los valores apropiados de los coeficientes de seguridad para cargas y resistencia. Se incluye un glosario de trminos.

LECCIONES AFINES Leccin 2.1: Leccin 2.3: Proceso de Diseo Bases para la Determinacin de Cargas Aprender de los Errores Calidades y tipos de Acero Seleccin de la calidad del Acero

Leccin 2.8: Leccin 3.4: Leccin 3.5:

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1.

INTRODUCCIN
Las primeras aproximaciones al diseo basado en mtodos de clculo empleaban la teora de la elasticidad. Se han utilizado casi exclusivamente como la base de un diseo estructural cuantitativo hasta hace muy poco. En la actualidad, el diseo basado en estados lmite est sustituyendo a los enfoques anteriores basados en la tensin admisible elstica y constituyen la base del Eurocdigo 3 [1] referido al diseo de estructuras metlicas. En los apartados siguientes se explican los principios del diseo basado en estados lmite y se describe su puesta en prctica dentro de las reglas de diseo, en particular el Eurocdigo 3.

Los objetivos fundamentales del diseo estructural son proyectar una estructura funcional, que sea segura y til, y cuya construccin y mantenimiento sean econmicos. Todas las reglas de diseo, cualquiera que sean sus bases, estn destinadas a ayudar al proyectista a satisfacer estos requisitos bsicos. En el pasado, el diseo era altamente emprico. Inicialmente se basaba en la experiencia previa e inevitablemente se produca un nmero considerable de fallos. Posteriormente se desarrollaron mtodos de ensayo fsico como un medio de probar la eficacia de diseos innovadores.

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BASES DE DISEO EN ESTADOS LMITE

2. BASES DE DISEO EN ESTADOS LMITE

Los mtodos de diseo basado en estados lmite animan al ingeniero a examinar las condiciones que pueden considerarse como fallo - denominadas estados lmites. Estas condiciones se clasifican en los estados lmite ltimos y estados limite de servicio. Dentro de cada una de estas clasificaciones puede ser necesario comprobar varios aspectos del comportamiento de la estructura metlica. Los estados lmites ltimos se refieren a la seguridad, en cuanto a resistencia a las cargas y equilibrio, cuando la estructura alcanza un punto en el que es sustancialmente insegura para la funcin que se le supone. El proyectista comprueba que la resistencia mxima de una estructura (o

Figura 2 Colapso en condiciones de servicio

elemento de la misma) sea adecuada para soportar las acciones mximas (cargas o deformaciones) a que estar sometida, con un margen razonable de seguridad. Para el clculo de estructuras metlicas, los aspectos que se deben comprobar son, especialmente, la resistencia (incluida la fluencia, el pandeo y la transformacin en un mecanismo) y la estabilidad contra el vuelco (figura 1). En algunos casos puede tambin ser necesario considerar otras posibles modalidades de rotura, como la rotura debida a la fatiga del material y la rotura frgil. Los estados lmites de uso se refieren a aquellos estados en los que una estructura, aunque aguanta, empieza a comportarse de una forma insatisfactoria debido, por ejemplo, a deformaciones o vibraciones excesivas (figura 2). As pues, el proyectista comprobar que la estructura cumple satisfactoriamente con su funcin al ser sometida a las cargas de trabajo o servicio. Puede ser necesario comprobar estos aspectos del comporta-

Figura 1 Condiciones ltimas de colapso

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Figura 3 Acciones estructurales

En su nivel ms bsico, el clculo basado en estados lmites proporciona simplemente un marco dentro del cual se someten a consideracin, explcita e independiente, varios requisitos de rendimiento diferentes. Ello no implica necesariamente el uso automtico de conceptos estadsticos y probabilsticos, coeficientes de seguridad parciales, etc., ni clculo plstico, clculo de carga mxima, etc. Se trata ms bien de un mtodo formal que reconoce la variabilidad inherente de las cargas, materiales, prcticas de construccin, aproximaciones efectuadas en el diseo, etc., intentando tenerlas en cuenta de forma que se reduzcan apropiadamente las probabilidades de que la estructura no resulte adecuada para su uso. El concepto de variabilidad es importante porque el proyectista de estructuras metlicas debe aceptar el hecho de que, al realizar sus clculos estticos, est utilizando magnitudes que no son absolutamente fijas o determinadas. Un ejemplo de ello son los valores de las cargas y la tensin de fluencia del acero que, aunque mucho menos variables que las propiedades de algunos otros materiales estructurales, se sabe que presentan una cierta dispersin (figura 4). Estas varia-

miento en condiciones diferentes. Por ejemplo, el Eurocdigo 3 define tres situaciones hipotticas que corresponden al uso normal de la estructura, situaciones transitorias, por ejemplo durante la construccin o reparacin, y situaciones accidentales. Puede ser necesario considerar tambin acciones diferentes, es decir, varias combinaciones de cargas y otros efectos como la temperatura o el asiento (figura 3). A pesar del aparentemente alto nmero de casos que se deben considerar, en muchos de ellos ser suficiente disear sobre la base de la resistencia y la estabilidad y, seguidamente, comprobar que no se vaya a sobrepasar el lmite de flecha. Otros estados lmites, claramente, no sern aplicables o podr determinarse, mediante un clculo bastante sencillo, que no afectan al diseo.

Figura 4 Variabilidad de la tensin de fluencia

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BASES DE DISEO EN ESTADOS LMITE

La debida consideracin de cada uno de los lmites elimina las inconsistencias de intentar controlar la flecha limitando las tensiones o de evitar la deformacin en carga de servicio modificando la base de clculo (frmula, modelo matemtico, etc,) para una determinacin de resistencia mxima. El mtodo de diseo basado en estados lmites puede, por lo tanto, resumirse del modo siguiente: definir los estados lmites pertinentes en los cuales se debe comprobar el comportamiento estructural. para cada estado lmite, determinar las acciones apropiadas que se deben considerar. utilizando los modelos estructurales de diseo y teniendo en cuenta la inevitable variabilidad de parmetros tales como las propiedades de los materiales y los datos geomtricos, verificar que no se sobrepase ninguno de los estados lmites pertinentes.

Figura 5 Representacin del principio de diseo para acciones y resistencias variables

ciones deben tenerse en cuenta a fin de asegurarse de que los efectos de la carga no superen la resistencia de la estructura al colapso. En la figura 5 se representa este enfoque de forma esquemtica, mostrando curvas hipotticas de distribucin de frecuencia para el efecto de cargas en un elemento estructural y su resistencia. Cuando las dos curvas se solapan, tal como se ve en el rea sombreada, el efecto de la carga es mayor que la resistencia del elemento y ste fallar.

45

3.

ACCIONES

Una accin sobre una estructura puede ser una fuerza o una deformacin impuesta, como las debidas a la temperatura o al asiento. En Eurocdigo 3 se hace referencia a acciones directas e indirectas, respectivamente. Las acciones pueden ser permanentes, p.ej. el propio peso de la estructura, dispositivos

de fijaciones y acabados permanentes; variables, p.ej. cargas impuestas, viento y nieve; accidentales, p.ej. explosiones e impactos (figura 6). Para las acciones de los sesmos, vanse las lecciones 21 y el Eurocdigo 8 [2]. En el Eurocdigo 1 [3] se representan estas acciones con los smbolos G, Q y A respectivamente, junto con un subndice k d para indicar valores caractersticos o de carga hipottica, respectivamente. Asimismo, una accin puede clasificarse como fija o libre, segn acte o no en una posicin fija en relacin con la estructura.

3.1 Valores caractersticos de las acciones (Gk, Qk y Ak)

Las cargas reales aplicadas a una estructura pueden definirse pocas veces con precisin; las estructuras que retienen lquidos pueden ser una excepcin. En muchos casos, no es razonable proyectar una estructura segn la mxima combinacin de cargas que le podran ser aplicadas. Un enfoque ms realista es proyectar la estructura segn cargas caractersticas, es decir, aqullas que se considera que tienen una probabilidad aceptable de no ser superadas durante toda la vida til de la estructura. El trmino carga caracterstica se refiere normalmente a una carga de magnitud tal que slo existe estadsticamente una pequea probabilidad, denominada fractila, de que se sobrepase. Las cargas impuestas estn abiertas a una variabilidad e idealizacin considerables, normalmente en relacin con el tipo de ocupacin y representadas como una intensidad de carga uniforme (figura 7). Las cargas permanentes son menos variables, aunque es evidente que las variaciones que surgen en la ejecucin y los errores pueden ser substanciales, particularmente en el caso

Figura 6 Acciones estructurales

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ACCIONES
algn grado de exactitud el riesgo de que estas cargas climticas vayan a sobrepasar una magnitud especificada en un lugar en particular.

3.2

Valores hipotticos de las acciones (Gd, Qd y Ad)

Figura 7 Las cargas reales impuestas se idealizan como si se distribuyeran de manera uniforme

de hormign y acabados in-situ como los conglomerados asflticos en los puentes de carretera. Las cargas debidas a la nieve, el viento, etc. son muy variables. Se han cotejado un gran nmero de datos estadsticos sobre su incidencia. En consecuencia, es posible predecir con

El valor hipottico de una accin es su valor caracterstico multiplicado por un coeficiente parcial de seguridad apropiado. Los valores reales de los coeficientes parciales que se van a utilizar dependen de la situacin hipottica (normal, transitoria o accidental), el estado lmite y la combinacin particular de acciones que se estn considerando. Los valores correspondientes de los efectos hipotticos de las acciones, tales como esfuerzos y momentos, tensiones y flechas, se determinan a partir de los valores hipotticos de las acciones, los datos geomtricos y las propiedades del material.

47

4.

PROPIEDADES DEL MATERIAL

Eurocdigo 3, en el que se tabulan los valores nominales de lmite elstico para las diferentes calidades de acero.

La variabilidad de la carga es slo un aspecto de la incertidumbre relativa al comportamiento estructural. Otro aspecto importante es la variabilidad del material estructural, que se refleja en variaciones de resistencia de los componentes de la estructura. De nuevo, la variabilidad se tiene en cuenta formalmente aplicando coeficientes parciales de seguridad apropiados a los valores caractersticos. Para el acero de construccin, la propiedad ms importante en este contexto es el lmite elstico.

4.2 Valores tericos de las propiedades del material

El valor hipottico de la resistencia del acero se define como el valor caracterstico dividido por el coeficiente parcial de seguridad apropiado. Otras propiedades del material, en especial el mdulo de elasticidad, el mdulo de elasticidad transversal, el coeficiente de Poisson, el coeficiente de dilatacin trmica lineal y la densidad, son mucho menos variables que la resistencia y sus valores tericos se indican normalmente como deterministas. Adems de los valores cuantificados utilizados directamente en el clculo de la estructura, normalmente se especifican algunas otras propiedades del material para asegurar la validez de los procedimientos de clculo incluidos en las reglas. Por ejemplo, el Eurocdigo 3 estipula requisitos mnimos para la relacin resistencia mxima/lmite elstico, alargamiento de rotura y deformacin mxima si se va a utilizar el anlisis plstico [1].

4.1 Valores caractersticos de las propiedades del material

El lmite elstico caracterstico se define normalmente como el valor por debajo del cual slo se situara una pequea proporcin de todos los valores. Tericamente, esto slo se puede calcular a partir de datos estadsticos fiables. Por lo general, en el caso del acero, a los efectos del clculo estructural y por razones prcticas, se utiliza un valor nominal que tpicamente corresponde al lmite elstico mnimo especificado. Es el caso en

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DATOS GEOMTRICOS
5. DATOS GEOMTRICOS
otras tolerancias tales como el defecto de verticalidad, el defecto de rectilineidad, el defecto de ajuste y las inevitables excentricidades menores presentes en las uniones prcticas. Pueden influir en el clculo estructural global, en el clculo del sistema de arriostramiento o en el clculo de elementos estructurales individuales. Normalmente, las propias reglas de clculo los tienen en cuenta.

Generalmente los datos geomtricos se representan por sus valores nominales. Son los valores que se utilizan a efectos del clculo. La variabilidad, por ejemplo de las dimensiones de la seccin transversal, se tiene en cuenta en los coeficientes de seguridad parciales aplicados en otro lugar. Deben preverse

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6.

COEFICIENTES PARCIALES DE SEGURIDAD

En lugar del tradicional coeficiente de seguridad nico utilizado en la determinacin de la tensin admisible, el clculo basado en estados lmite prev varios coeficientes parciales de seguridad para relacionar los valores caractersticos de las cargas y resistencia con los valores tericos. La norma ISO 2394 [4] sugiere el uso de siete coeficientes parciales de seguridad, pero estos a menudo se combinan para simplificar los procedimientos de clculo. Es el caso en los Eurocdigos [1, 3], que incluyen coeficientes para acciones y resistencia. En el anexo se facilitan ms detalles. En principio, la magnitud de un coeficiente parcial de seguridad debe relacionarse con el grado de incertidumbre o variabilidad de una cantidad en particular (accin o propiedad del material) determinada estadsticamente. En la prctica, aunque ste parezca ser el caso, los valores reales de los coeficientes parciales de

seguridad utilizados incorporan elementos significativos del coeficiente global de seguridad y no representan un tratamiento probabilstico riguroso de las incertidumbres [5-8]. En esencia, las acciones caractersticas (Fk) se multiplican por los coeficientes de seguridad aplicados a las cargas (F) para obtener las cargas tericas (Fd), esto es: Fd = f Fk Los efectos de la aplicacin de las cargas tericas a la estructura, es decir, el momento de flexin, el esfuerzo cortante, etc., se denominan los efectos tericos Ed. La resistencia terica Rd se obtiene dividiendo las resistencias caractersticas Rk por los coeficientes parciales de seguridad aplicados al material M, modificados segn sea apropiado para tener en cuenta otras consideraciones tales como el pandeo. Para que el proyecto sea satisfactorio, la resistencia terica debe ser mayor que el efecto hipottico.

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ESTADO LMITE LTIMO

7. ESTADO LMITE LTIMO
nos aspectos de la resistencia de un elemento. Estos aspectos podran incluir la resistencia de la seccin transversal (como comprobacin de la abolladura y la fluencia locales) y la resistencia a varias formas de pandeo (como el pandeo total a compresin, el pandeo lateral por torsin y el pandeo a cizallamiento de las almas), as como una comprobacin de que la estructura no se transforma en un mecanismo. c. ninguna parte de la estructura se vuelve inestable debido a efectos de segundo orden. d. el estado lmite de rotura no es inducido por fatiga.

En presencia de acciones hipotticas apropiadas puede ser necesario verificar las siguientes condiciones: a. Ed,dst Ed,stb donde Ed,dst y Ed,stb son los efectos tericos de las acciones estabilizadoras y desestabilizadoras, respectivamente. ste es el estado ltimo final del equilibrio esttico. b. Ed Rd donde Ed y Rd son la accin interna y la resistencia, respectivamente. En este contexto puede ser necesario comprobar algu-

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8.

ESTADO LMITE DE SERVICIO

El estado lmite de servicio est relacionado generalmente con el hecho de asegurarse de que las flechas no sean excesivas en condiciones normales de utilizacin. En algunos casos, tambin puede ser necesario asegurarse de que la estructura no est sujeta a vibraciones excesivas. Esto es particularmente importante en las estructuras expuestas a fuerzas dinmicas importantes o en las que acomodan equipamientos delicados. Tanto la flecha como la vibracin estn asociadas con la rigidez ms que con la resistencia de la estructura.

Las flechas calculadas deben compararse con valores mximos especificados, que dependern de las circunstancias. Por ejemplo, en Eurocdigo 3 [1] se tabulan las flechas verticales lmites para vigas de seis categoras, tal como se indica a continuacin: cubiertas en general. cubiertas que con frecuencia soportan a personas, aparte del personal de mantenimiento. forjados en general. forjados y cubiertas que soportan yeso u otro acabado frgil o tabiques no flexibles. forjados que soportan columnas (salvo que la flecha se haya incluido en el anlisis global del estado lmite ltimo). situaciones en las que la flecha puede daar la esttica del edificio. Al determinar la flecha, puede ser necesario considerar los efectos de la precombadura o contraflecha, las cargas permanentes y las cargas variables por separado. En el proyecto se deben considerar tambin las implicaciones de los valores de flecha calculados. Para las cubiertas, por ejemplo, independientemente de los lmites especificados en las reglas de clculo, existe una clara necesidad de mantener una pendiente mnima para la cada del agua. Por lo tanto, puede ser necesario considerar lmites ms estrictos para estructuras de cubiertas casi planas.

8.1 Flechas
En el estado lmite de servicio, la flecha calculada de una barra o de una estructura es raramente significativa por s misma, ya que los supuestos tericos rara vez se realizan porque, por ejemplo: la carga real tiene pocas probabilidades de ser la carga hipottica prevista. las vigas rara vez estn libremente apoyadas o fijadas y, en realidad, una viga se encuentra generalmente en algn estado intermedio. puede darse una accin conjunta. La flecha calculada es, no obstante, valiosa como ndice de la rigidez de una barra o estructura, es decir, para valorar si se ha dispuesto lo necesario en relacin con el estado lmite de flecha o avera local. A estos efectos, los mtodos analticos sofisticados rara vez se justifican. Cualesquiera que sean los mtodos adoptados para valorar la resistencia y la estabilidad de una barra o estructura, los clculos de flecha deben relacionarse con la estructura del estado elstico. As pues, cuando el anlisis para comprobar la conformidad con el lmite de resistencia se basa en conceptos de rgido-elstico o elstico-plstico, debe tambin considerarse el comportamiento estructural en la fase elstica.

8.2 Efectos dinmicos

Los efectos dinmicos que se deben considerar en el estado lmite de servicio son las vibraciones causadas por maquinaria y las vibraciones autoinducidas, por ejemplo, desprendimientos por torbellinos. La resonancia puede evitarse asegurndose de que las frecuencias naturales de la estructura (o de cualquier parte de la misma) difieren suficientemente de las de la fuente de excitacin. La oscilacin y vibracin

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ESTADO LMITE DE SERVICIO

de estructuras sobre las que el pblico puede caminar deben limitarse a fin de evitar incomodidades importantes a los usuarios. Esta situacin se puede comprobar realizando un anlisis dinmico y limitando la frecuencia natural ms baja del forjado. Eurocdigo 3 recomienda un lmite inferior de 3 ciclos por segundo para forjados sobre los que caminan personas regularmente, y un lmite ms estricto de 5 ciclos por segundo para los forjados utilizados para bailar o saltar, como es el caso en gimnasios o salas de baile [1]. Un mtodo alternativo consiste en asegurar una rigidez adecuada limitando las flechas a valores apropiados.

53

9.

MODELOS DE DISEO ESTRUCTURAL

Ninguna teora estructural, ya sea elstica o plstica, puede predecir la carga o las cargas de una estructura en todas las circunstancias y para todos los tipos de construccin. El clculo de barras individuales y uniones requiere el uso de una teora estructural apropiada para comprobar la modalidad de rotura; en ocasiones puede ser necesario comprobar tipos alternativos de rotura y ello puede requerir tipos de anlisis diferentes. Por ejemplo, la rotura por pandeo

por fluencia general slo puede producirse cuando se alcanza el momento plstico; no obstante, la rotura por pandeo slo es posible si la rotura no se produce a un nivel de carga inferior, ya sea por abolladura o por pandeo general. Los estados lmites de servicio estn relacionados con las prestaciones de la estructura sometida a condiciones de cargas de servicio. Por lo tanto, el comportamiento debe comprobarse sobre la base de un anlisis elstico, independientemente del modelo utilizado para la hiptesis del estado lmite ltimo.

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RESUMEN FINAL
10. RESUMEN FINAL
fin de disponer de un modelo preciso del comportamiento estructural correspondiente. Para carga y material se introducen coeficientes de seguridad aparte. Estos coeficientes son magnitudes variables y los valores precisos que se deben utilizar en el proyecto reflejan el grado de variabilidad de la accin o resistencia a la que se aplica el coeficiente. Las diferentes combinaciones de acciones pueden tambin requerir valores diferentes del coeficiente de seguridad. Este enfoque flexible ayuda a obtener un nivel consistente de seguridad en comparacin con otros enfoques de clculo.

Los procedimientos de diseo basado en estados lmites requieren el examen formal de las diferentes condiciones que pueden llevar al colapso o a un comportamiento inadecuado. El efecto de varias acciones se compara con la correspondiente resistencia de la estructura conforme a criterios de rotura definidos (estados lmites). Los criterios de rotura ms importantes son el estado lmite final (colapso) y el estado lmite de flecha de servicio. Para comprobar cada estado lmite deben utilizarse modelos de diseo apropiados a

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11.

GLOSARIO

Un estado lmite es un estado ms all del cual la estructura deja de satisfacer los requisitos de rendimiento especificados. El estado lmite ltimo es un estado asociado al colapso y denota la incapacidad de soportar un incremento de la carga. El estado lmite de servicio es un estado ms all del cual se deja de cumplir con los requisitos de servicio especificados. Denota prdida de utilidad y/o la necesidad de una accin correctora. Cargas caractersticas (Gk, Qk, Ak) son aquellas cargas que tienen una probabilidad aceptablemente escasa de no ser sobrepasadas durante la vida til de la estructura.

La resistencia caracterstica (fy) de un material es la resistencia especificada por debajo de la cual slo se puede esperar que caiga un porcentaje pequeo (normalmente 5%) de los resultados de los ensayos. Coeficientes de seguridad parciales (G, Q, M) son los coeficientes aplicados a las cargas caractersticas, resistencias y propiedades de materiales para tener en cuenta la probabilidad de que se sobrepasen las cargas y no se alcance la resistencia especificada. La carga terica (o ponderada) (Gd, Qd, Ad) es la carga caracterstica multiplicada por el coeficiente de seguridad correspondiente. La resistencia terica es la resistencia caracterstica dividida por el coeficiente de seguridad parcial apropiado para el material.

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BIBLIOGRAFA RELACIONADA
12. BIBLIOGRAFA 13. BIBLIOGRAFA RELACIONADA

[1] Eurocdigo 3: Design of Steel Structures ENV 1993-1-1: Part 1.1: General Rules and Rules for Buildings, CEN, 1992. General Rules and Rules for Buildings, CEN, 1992. [2] Eurocdigo 8: Structures in Seismic Regions-Design, CEN (en preparacin). [3] Eurocdigo 1: Basis of Design and Actions on Structures CEN [4] ISO 2394, General Principles for the Verification of the Safety of Structures, International Standards Organisation, 1973. [5] Rationalisation of Safety and Serviceability Factors in Structural Codes, CIRIA Report 63, London, 1972. [6] Allen, D. E., Limit States Design - A Probabilistic Study, Canadian Journal of Civil Engineers, March 1975. [7] Augusti, G., Baratta, A., and Casciati, F., Probabilistic Methods in Structural Engineering, Chapman and Hall, London 1984. [8] Armer, G. S. T., and Mayne, J. R, Modern Structural Design Codes - The Case for a More Rational Format, CIB Journal Building Research and Practice, Vol. 14, No. 4, pp. 212-217, 1986.

1. Pugsley, A., The Safety of Structures, Edward Arnold, London 1966. 2. Thoft-Christensen, P., and Baker, M. J., Structural Reliability Theory and its Application, Springer-Verlag, 1982. 3. The Steel Skeleton, Cambridge University Press, Vol 1 1960, Vol II 1965. 4. Blockley, D., The Nature of Structural Design and Safety, Ellis Horwood, Chichester, 1980. 5. Fukumoto, Y., Itoh, Y. and Kubo, M., Strength Variation of Laterally Unsupported Steel Beams, ASCE, Vol 106, ST1, 1980. 6. ISO 8930: General Principles on Reliability of Structures - List of Equivalent Terms, 1987.

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APNDICE

APNDICE COEFICIENTES PARCIALES DE SEGURIDAD

Coeficientes parciales de seguridad para las acciones

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APNDICE
Los Eurocdigos 1 y 3 definen los tres coeficientes parciales de seguridad siguientes: G Q A acciones permanentes acciones variables acciones accidentales en Eurocdigo 3, su valor preciso puede ajustarse en cada pas. Combinaciones de cargas para el estado lmite ltimo Todas las cargas permanentes ms una carga variable, todas ponderadas, esto es: G Gki + Q Qk1 donde G y Q se toman como 1,35 y 1,5 respectivamente, o todas las cagas permanentes ms todas las cargas variables, todas ponderadas, esto es: G Gki + Q Qki donde G y Q se toman ambas como 1,35. Estos valores reconocen la probabilidad reducida de que exista ms de una carga variable simultneamente. Por ejemplo, aunque una estructura puede en ocasiones estar sujeta a su carga de viento mxima, es mucho menos probable que est expuesta a una combinacin de cargas de viento mximas e impuestas. Combinaciones de cargas para el estado lmite de servicio Se consideran todas las cargas permanentes ms una carga variable. En cada caso, el coeficiente parcial de seguridad es la unidad, es decir, las cargas son valores caractersticos sin ponderar: Gki + Qk1 o todas las cargas permanentes (coeficiente parcial de seguridad 1,0) ms todas las cargas variables (con un coeficiente parcial de seguridad de 0,9) esto es: Gki + 0,9 Qki Cuando se dispone de reglas de conformidad simplificadas para el servicio, no hay necesidad de efectuar clculos detallados con diferentes combinaciones de carga.

Para G se especifican dos valores. Estos son G,sup y G,inf que representan respectivamente los valores superior e inferior. Cuando las acciones permanentes tienen un efecto negativo sobre la condicin hipottica que se est considerando, el coeficiente de seguridad parcial debe ser el valor superior. Sin embargo, cuando el efecto de una accin permanente es favorable (por ejemplo en el caso de cargas aplicadas a una mnsula cuando se considera el diseo de un vano adyacente) debe utilizarse el valor inferior para el coeficiente de seguridad parcial (vase la figura 8). El tratamiento de combinaciones de carga es bastante sofisticado y contempla la definicin de valores representativos, determinados aplicando otro coeficiente a las cargas tericas, segn la combinacin particular que se considere. No obstante, se admiten por lo general procedimientos simplificados. Estos se describen brevemente ms abajo. Obsrvese que los valores de los coeficientes de seguridad parciales son slo indicativos. Aunque estn especificados

Figura 8 Disposicin de diseo de cargas permanentes para casos crticos

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Coeficientes parciales de seguridad para el material Los coeficientes parciales de seguridad para el material se especifican del modo siguiente: M0 = 1,1 para la consideracin de resistencia de los perfiles de la Clase 1, 2 3.

M1 = 1,1

para la consideracin de perfiles de la Clase 4 y resistencia al pandeo.

M2 = 1,25 para la consideracin de la resistencia del perfil en taladros

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.3: Bases para la Determinacin de Cargas

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Facilitar una introduccin sobre los orgenes de las cargas aplicadas a las estructuras y cmo pueden cuantificarse estas a los efectos del diseo de la estructura. dentales en el Eurocdigo 1: Base del diseo y acciones sobre las estructuras. Se explican los clculos de cargas permanentes sobre la base de las densidades del material y las magnitudes de los componentes. Se comentan los medios para estimar las cargas impuestas sobre la base del uso y las implicaciones de los cambios de uso. Se consideran brevemente las cargas de la nieve y los efectos de la temperatura y de los sesmos. Se describe el tratamiento estadstico de las cargas del viento y de las olas y su dependencia de la velocidad y de la altura, respectivamente. Se considera la importancia de las caractersticas de la carga, no slo su magnitud. Estas caractersticas incluyen la fatiga y los efectos dinmicos y aerodinmicos. Se describen tratamientos simplificados de las cargas dinmicas.

LECCIONES AFINES Leccin 2.2.1: Principios de Diseo

RESUMEN Se consideran varios tipos de cargas (permanente, impuesta y ambiental) y su clasificacin como permanentes, transitorias o acci-

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1.

INTRODUCCIN

Las estructuras estn directamente sometidas a cargas de varios orgenes. Estas cargas se denominan acciones directas e incluyen los efectos de la gravedad y los climatolgicos, como el viento y la nieve. Adems, una estructura puede ser objeto de deformaciones, por ejemplo debidas al asiento o la dilatacin trmica. Estas cargas son acciones indirectas. En la aplicacin de cualquier enfoque cuantitativo al anlisis estructural, deben identificarse las magnitudes de las acciones. Si la estructura debe comportarse de forma satisfactoria durante toda su vida til, debe comprenderse la naturaleza de las cargas y adoptarse las medidas adecuadas para evitar problemas, por ejemplo de fatiga o vibracin. La magnitud de las cargas no puede ser determinada con precisin. En algunos casos, por ejemplo cuando se consideran cargas debidas al peso propio de la estructura, podra pensarse que los valores se pueden calcular con bastante precisin. En otros casos, como las cargas del viento, solamente se pueden estimar los niveles probables de la carga. La estimacin puede basarse en la observacin de las condiciones previas y en la aplicacin de un enfoque probabilstico para predecir los efectos mximos que pueden producirse a lo largo de la vida til prevista de la estructura. (De hecho, los registros exhaustivos de vientos que estn disponibles en la actualidad significan que las cargas del viento pueden a menudo predecirse con mayor precisin que el peso propio). Las cargas asociadas al uso de la estructura slo se pueden estimar en base a la naturaleza del uso. En la mayora de los casos los datos disponibles son insuficientes para un enfoque estadstico completo y, por lo tanto, se asignan valores nominales. Adems, pueden presentarse problemas de cambio de usos y modos. En el clculo de estructuras es raro considerar que todas las cargas actan de forma simultnea. Este enfoque puede deberse a que las condiciones ms severas para partes de la estructura se producen cuando se considera alguna otra combinacin de cargas.

Alternativamente, puede ocurrir que la posibilidad de que se d realmente tal condicin sea sumamente escasa. Sin embargo, el riesgo de coexistencia de cargas aparentemente no relacionadas puede ser mayor de lo que en un principio se puede pensar. Las correlaciones pueden proceder de fuentes inesperadas o de coincidencias que, aunque fsicamente inconexas, se relacionan temporalmente. Por ejemplo, las cargas del forjado y del viento normalmente se consideran no relacionadas. Sin embargo, en las regiones de paso de huracanes, se puede esperar que los habitantes de la costa trasladen el contenido de las plantas inferiores a las plantas superiores cuando se produce un aviso de huracn, con la consiguiente subida de la marea. Esta circunstancia puede fcilmente provocar cargas extremas en el suelo, combinadas con cargas de viento extremas. ste puede ser un caso muy especial, pero existen otros. El riesgo de incendio puede no considerarse correlacionado con cargas de viento fuerte, pero en muchas partes del mundo los vientos fuertes se dan con mayor frecuencia en invierno, cuando existe el mayor peligro de incendio. Por estas razones, es conveniente considerar las cargas conforme a varias categoras. Pueden entonces asignarse diferentes coeficientes de seguridad a las categoras y aplicarse estos en varias combinaciones segn sea necesario. Tradicionalmente, las cargas se han clasificado como cargas permanentes, superimpuestas y climticas. Estas clases incluyen un amplio abanico de efectos de la gravedad, accin ssmica, presiones debidas a materiales o lquidos retenidos, movimiento inducido por la temperatura y, en las estructuras martimas, el movimiento del agua. Los Eurocdigos referentes a acciones y diseo de estructuras metlicas [1, 2] clasifican las cargas y otras acciones como permanentes, variables y accidentales. Estas clases de accin se considerarn con ms detalle en las secciones siguientes. En el diseo basado en estados lmites, se utilizan valores caractersticos como la base de todos de los clculos. Son valores que estadsticamente tienen slo una pequea probabilidad de ser sobrepasados durante la vida til de

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INTRODUCCIN
la estructura. Para prever un margen de seguridad, en particular contra el colapso, se aplican coeficientes parciales de seguridad a estos valores caractersticos para obtener magnitudes hipotticas. En principio, pueden aplicarse coeficientes parciales de seguridad diferentes segn el grado de incertidumbre o variabilidad de un tipo de accin en particular. En la prctica, aunque ello parezca ser el caso, los valores reales de los coeficientes de seguridad parciales utilizados incorporan elementos significativos del coeficiente de seguridad global y no representan un tratamiento probabilstico riguroso de las incertidumbres de las acciones.

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2.

ACCIONES PERMANENTES

Las acciones permanentes, como su nombre indica, estn siempre presentes y deben considerarse en todos los casos. Comprenden lo que tradicionalmente se denomina cargas permanentes, pero pueden incluir tambin cargas impuestas de forma permanente debidas, por ejemplo, a maquinaria o material almacenado.

2.1 Cargas permanentes

Figura 2 Tpica planta de distribucin de particiones

Las cargas permanentes son cargas de gravedad debidas al peso propio de la estructura y al de cualquier dispositivo de fijacin o acabado unido a ella (figura 1). Sus magnitudes pueden estimarse con una fiabilidad razonable, sobre la base de dimensiones prescritas y un conocimiento de la densidad del material. Aun as, existirn variaciones debidas a las tolerancias constructivas y a las desviaciones naturales de los materiales. Adems, los dispositivos de anclaje, los elementos de ajuste y los acabados pueden ser sustituidos o modificados durante la vida til de la estructura. Esta posibilidad se ha reconocido en el clculo de cargas en tableros de puentes, en el que se incluye una categora aparte de carga permanente superimpuesta para prever la sustitucin probable de los elementos superficiales varias veces a lo largo de la vida til del puente. En esta situacin existe un potencial consecuentemente mucho mayor de variabilidad que para otras cargas permanentes.

Una condicin similar se da en el interior de ciertos tipos de edificios con respecto a los tabiques (figura 2). Cuando la posicin de las paredes viene predeterminada, su peso puede incluirse simplemente como una carga permanente. Para el desarrollo especulativo de un edificio, las divisiones internas sern responsabilidad del cliente y su disposicin cambiar probablemente muchas veces a lo largo de la vida til del edificio. Por lo tanto, normalmente se prev una tolerancia, como carga repartida uniformemente, equivalente. En el Eurocdigo 1 [1] se relacionan las densidades de los materiales de uso frecuente en edificios y los fabricantes de productos tales como revestimientos, edificios, suelos elevados, etc., facilitan informacin de los pesos. Junto con las dimensiones especificadas, estos datos permiten calcular las cargas permanentes. Cuando las cargas permanentes no estn repartidas de forma estrictamente uniforme sobre una superficie, como en el caso de viguetas de suelo de madera situadas a intervalos discontinuos, a menudo se representan como una carga equivalente repartida uniformemente por comodidad en los clculos estticos. En tanto que la magnitud equivalente se determina de una forma racional, ser irrelevante cualquier diferencia

Figura 1 Tpicas cargas muertas

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ACCIONES PERMANENTES
forjado de hormign armado: 24 x 0,15 = 3,60 kN/m2 yeso: 12 x 0,015 = 0,18 kN/m2
Figura 3 Ejemplo de construccin de forjado

carga permanente total: = 4,53 kN/m2 Adems, normalmente se prever una tolerancia para servicios o ajustes (iluminacin elctrica, tuberas, etc.) montados en la parte inferior del forjado o situados dentro de la capa de revestimiento o debajo de un suelo elevado (figura 4). En este caso se utiliza tambin una carga repartida uniformemente equivalente para representar orgenes de carga repartidos de manera no uniforme. Un valor de entre 0,1 y 0,3 kN/m2 resulta normalmente adecuado para cubrir tales instalaciones. El peso de los muros puede tratarse de forma similar al de los suelos, considerando sus diversos componentes y sumando los pesos por metro cuadrado en alzado. Por ejemplo, considrese una pared hueca formada por una capa exterior de ladrillo embaldosado (100 mm de espesor) y una capa interior de bloque enyesado (150 mm de espesor) como muestra la seccin transversal de la figura 5. La carga permanente total se determina del modo siguiente: baldosas fbrica bloques yeso carga permanente total de la pared 0,6 kN/m2 2,1 1,4 0,2 4,3 kN/m2

entre esta aproximacin simplificada y un anlisis ms riguroso en el que se tenga en cuenta la situacin real de las viguetas. Para determinar las cargas permanentes, considrese, por ejemplo, el caso de un suelo formado por un forjado de hormign armado con un espesor de 150 mm con una capa ligera de revestimiento de 50 mm y un fondo de yeso de 15 mm. En la figura 3 se muestran los detalles y las densidades de cada material. La carga permanente total por metro cuadrado de suelo puede calcularse del modo siguiente: capa de revestimiento ligera: 15 x 0,05 = 0,75 kN/m2

Multiplicando este valor por la altura de la pared puede determinarse la intensidad de la carga como una carga lineal sobre el sistema resistente. Las cargas debidas a tabiques ligeros o bloques no

Figura 4 Servicios bajo suelo falso

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pueden tratarse, por lo general, de una forma tan rigurosa, ya que a menudo su posicin no se conoce en la fase de diseo y, en cualquier caso, sta puede cambiar durante la vida til del edificio. En lugar de ello se prev una tolerancia dentro de la valoracin de las cargas impuestas que se describe en acciones variables.

Figura 5 Ejemplo de construccin de muro

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ACCIONES VARIABLES
3. ACCIONES VARIABLES
reas de aparcamiento y trfico. reas de almacenamiento, maquinaria de produccin y archivo. reas que sirven de vas de seguridad. La primera clase se divide, adems, en cuatro categoras, segn su uso especfico, que son: residenciales (salas de hospitales, habitaciones de hoteles, etc.); locales pblicos (oficinas, hoteles, hospitales, escuelas, centros de ocio, etc.); locales pblicos susceptibles de masificarse (salas de asambleas, salas de conferencias, cines, centros comerciales y salas de exposicin) y locales pblicos susceptibles de masificarse y acumular mercancas (depsitos y grandes almacenes). Los valores caractersticos de las cargas impuestas para estas diferentes categoras se relacionan en la tabla 1. As, los edificios de uso residencial tienen una carga impuesta menor que las oficinas; las reas de reuniones pblicas, en las que pueden encontrarse grandes cantidades de personas en cualquier momento, se prescriben como carga superimpuesta alta. Las reas de almacenamiento deben considerarse con un cuidado particular y el Eurocdigo 1 incluye detalles de densidades para diversos materiales almacenados. Algunos de estos materiales, como las bandas de acero, generarn cargas altas, pero condiciones incluso aparentemente inocuas, como almacenes de archivos, pueden experimentar niveles de carga muy altos. Las vas de seguridad deben disearse para cargas impuestas relativamente altas.
reas cargadas Categora A general escaleras balcones general escaleras, balcones con asientos fijos otros general [kN/m2] 2,0 3,0 4,0 3,0 4,0 4,0 5,0 5,0

Las acciones variables comprenden cargas que no siempre estn actuando pero que existen en diversos momentos durante la vida til de la estructura. Incluyen cargas debidas a la ocupacin del edificio y el trfico en los puentes (cargas impuestas), cargas de nieve y viento (cargas climticas) y los efectos de la temperatura (figura 6). No incluyen las condiciones accidentales como incendio, explosin o impacto.

Figura 6 Cargas variables

3.1 Cargas impuestas

Las cargas impuestas, a veces denominadas superimpuestas, supercargas o cargas no permanentes son las cargas debidas directamente al uso de la estructura. En los edificios, estn relacionadas con la ocupacin por parte de personas, mobiliario, equipos, etc. En los puentes se deben al trfico, ya sea peatonal o de vehculos. Est claro que estas condiciones sern casi constantemente cambiantes y resultan mucho ms difciles de cuantificar que las cargas permanentes. En los edificios, por lo tanto, el criterio utilizado ha sido relacionar los niveles de carga impuesta con la ocupacin basados en la observacin y la deduccin razonable. El Eurocdigo 1: Base de clculo y acciones en estructuras [1] distingue cuatro clases de reas cubiertas cargadas tal como se indica a continuacin: reas de vivienda, oficinas, etc.

Categora B Categora C Categora D

Tabla 1 Cargas impuestas en forjados de edificios

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Aunque estas cargas se utilizan en el diseo basado en estados lmites de una forma semi-probabilstica y se las denomina valores caractersticos (lo cual implica una base estadstica para su derivacin), existen pocos datos disponibles. Por lo tanto, no es posible un anlisis estadstico adecuado y los valores especificados son magnitudes nominales. Un estudio realizado en un local de oficinas en el Reino Unido [4] revel una amplia variacin de los niveles de carga reales para ocupaciones similares del edificio. En todos los casos, los niveles de carga medidos eran considerablemente menores que los valores caractersticos especificados en el proyecto estructural. No obstante, esta observacin debe tomarse con alguna reserva, ya que el diseo debe prever condiciones extremas, utilizacin indebida y situaciones de pnico. Obsrvese que, aunque la carga impuesta rara vez se repartir uniformemente, normalmente se asume una distribucin uniforme de la intensidad de la carga (figura 7).

reduccin se aplica en particular a las columnas de los edificios de varias plantas cuando se incrementa el nmero de plantas soportadas por una longitud de columna en particular. Normalmente las reducciones van de 10% a 30% y se aplican nicamente a las cargas impuestas. No se permite ninguna reduccin en la carga permanente o en ciertos tipos de carga impuesta, especialmente en el caso de reas de almacenamiento, cargas de gras y cargas explcitamente previstas como las debidas a maquinaria o a personas en locales pblicos susceptibles de masificarse.

3.3 Cargas superimpuestas en puentes

En la prctica, un puente de autova recibe, de una forma muy compleja, la carga de vehculos de tamaos y agrupamientos variados. Al objeto de simplificar el proceso de diseo, normalmente esta carga real se simula mediante dos cargas impuestas bsicas (una carga repartida uniformemente y una carga lineal) representando una condicin extrema de uso normal (figura 8). Seguidamente, se comprueba el proyecto para determinar una disposicin adicional de la carga representando el paso de una carga anormal. Las magnitudes de todas estas cargas se relacionan por lo general con la clasificacin de la carretera, los requisitos de las autoridades de la autova y la longitud cargada del puente.

Figura 7 Las cargas reales impuestas se idealizan como distribuidas de forma uniforme

3.2 Reducciones permitidas en la carga impuesta

Los valores nominales de la carga impuesta, asociados a diferentes clasificaciones de ocupacin y uso del edificio, representan condiciones extremas. En muchos casos la probabilidad de que tales condiciones se den de forma simultnea en todo un edificio es remota. Debido a esta escasa posibilidad, pueden permitirse algunas reducciones en la intensidad de la carga impuesta. La

Figura 8 Carga idealizada de puente de autopista (normal)

Para el trfico de vehculos en el interior de edificios, las condiciones ligeras (menos de 16 toneladas) pueden tratarse en categoras tales como coches, vehculos ligeros y medios. Para el trfico ms pesado debe considerarse la carga de una autova. En el diseo de un puente de ferrocarril se debe tener en cuenta la carga esttica y las fuer-

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ACCIONES VARIABLES
zas asociadas con el movimiento de vehculos. Al igual que con los puentes de autova, se especifican dos modelos de carga para considerarlos como casos de carga separados. Representan el trfico ordinario en vas de ferrocarril de lnea principal y, cuando corresponde, cargas anormalmente pesadas. Se expresan como cargas estticas debido a vehculos estacionarios y se ponderan para prever efectos dinmicos asociados a velocidades de tren de hasta 300 km/h. El Eurocdigo 1 orienta asimismo sobre la distribucin de la cargas y sus efectos y especifica fuerzas horizontales debidas al movimiento del vehculo. Se incluyen fuerzas centrfugas asociadas con el movimiento en curvas, esfuerzos laterales debidos a oscilaciones de vehculos (movimiento de lazo) y esfuerzos longitudinales debidos a la traccin y el frenado. Otros aspectos de la carga de los puentes que deben considerarse son las cargas accidentales y la posibilidad de rotura prematura por fatiga bajo la carga del trfico. cio, tambin estn asociados a aceleraciones y desaceleraciones, esta vez en el plano horizontal. Las fuerzas horizontales asociadas deben tenerse en cuenta en el proyecto del sistema resistente. La magnitud de las fuerzas depender, como antes, de las velocidades de aceleracin. El procedimiento normal consiste en calcular las magnitudes sobre la base de una proporcin de la carga por rueda vertical. El enfoque da como resultado una fuerza esttica equivalente que puede utilizarse para disear la estructura en base a la resistencia. Sin embargo, debe tambin reconocerse la naturaleza de las cargas de la gra. Debe considerarse la posibilidad de rotura prematura por fatiga en condiciones de carga cclica.

3.5 Cargas climticas

Las cargas climticas son claramente acciones variables. En puentes y edificios, las cargas climticas ms importantes son las debidas a la nieve y al viento. En las estructuras martimas como plataformas petrolferas, las cargas debidas al agua son a menudo dominantes. La accin de las olas representa generalmente la condicin ms severa. En algunos lugares geogrficos, los efectos de los terremotos deben incluirse en el clculo estructural. Todas estas cargas quedan fuera del control del hombre. Por lo tanto, se ha reconocido que debe adoptarse un enfoque estadstico a fin de cuantificar las cargas hipotticas correspondientes. El enfoque se basa en el periodo de retorno, que es un periodo de tiempo al que se relacionan datos climticos registrados como velocidades del viento, nevadas o altura de las olas. Si solamente se dispone de registros para un periodo de tiempo relativamente corto, pueden predecirse los datos para el periodo de retorno. La condicin ms severa, por trmino medio, sobre el periodo de retorno representa entonces el valor terico. Para un periodo de retorno de 100 aos, por ejemplo, se denomina como la 1 en 100 aos para la velocidad del viento o altura de las olas, etc. Normalmente el periodo de retorno corresponde a la vida til te-

3.4 Cargas generadas por una gra

En los edificios dotados de puentes-gra, las cargas debidas a la propia gra y la carga levantada se consideran por separado. El peso propio de la gra lo facilita generalmente el fabricante y la carga levantada corresponde a la capacidad mxima de elevacin de la gra. Cuando se eleva una carga a partir de una posicin de reposo, existe una aceleracin asociada en direccin vertical. Del mismo modo que las cargas de gravedad son iguales a la masa multiplicada por la aceleracin debida a la gravedad, el movimiento de elevacin provoca una fuerza adicional. Si la carga se eleva muy despacio -es decir, con poca aceleracin- esta fuerza ser muy pequea, pero una elevacin rpida, es decir, una aceleracin alta, generar una fuerza importante. Naturalmente, esta fuerza se aade a la fuerza normal debida a la gravedad y generalmente se prev ponderando las cargas estticas normales de la gra. Los movimientos de la gra a lo largo de la longitud como a travs de la anchura del edifi-

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rica de la estructura. Est claro que existe un grado de incertidumbre sobre el proceso de prediccin de las condiciones ms severas que se pueden dar. Mayores simplificaciones estn implcitas en la conversin a cargas de los datos climticos medidos, como velocidades del viento o alturas de las olas.

3.6 Cargas de viento

La fuerza del viento es variable pero para muchas estructuras su efecto dinmico es pequeo y la carga del viento puede tratarse utilizando mtodos estadsticos normales. Tales estructuras se Figura 9 Mapa europeo de vientos definen como rgidas y el Eurocdigo 1 [1] proporciona orientacin sobre promediada sobre un periodo de 10 minutos esta clasificacin. En estructuras esbeltas el con un periodo de retorno de 50 aos. efecto dinmico puede ser importante. Dichas estructuras se clasifican como estructuras flexi localizacin fsica; en lugares expuestos bles y debe tenerse en cuenta su comportacomo costas, el viento alcanza mayores miento dinmico. velocidades que en lugares ms resguardados, como las ciudades (figura 10), debido El parmetro ms importante para la a que las irregularidades de la superficie cuantificacin de las cargas del viento es su reducen la velocidad del viento al nivel del velocidad. La base para el diseo es la velocidad suelo. Esta variacin se tiene en cuenta mxima del viento pronosticada para la vida til mediante un coeficiente de irregularidad de la estructura. Los factores que influyen en su relacionado con la irregularidad del terreno magnitud son: y la altura sobre el nivel del suelo. localizacin geogrfica; las velocidades del viento son estadsticamente mayores en unas regiones que en otras. Para muchas regiones se dispone de datos estadsticos considerables y las velocidades del viento bsicas se expresan en los mapas en forma de isopletas (figura 9), que son las lneas formadas por la unin de puntos con velocidades del viento bsicas iguales superimpuestas. En el Eurocdigo 1 [1] la velocidad bsica del viento se denomina velocidad del viento de referencia y corresponde a la velocidad media, a una altitud de 10 m por encima de un terreno plano,

Figura 10 Efecto de la situacin fsica en la exposicin al viento

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ACCIONES VARIABLES

Figura 12 Influencia de la vertiente de la cubierta sobre la carga del viento

Figura 11 Influencia del tamao de la estructura en el diseo de la velocidad del viento

topografa; las caractersticas particulares de un lugar en relacin con colinas o taludes se tienen en cuenta mediante un coeficiente topogrfico. dimensiones del edificio; la altura tiene una importancia particular debido al hecho de que la velocidad del viento aumenta con la altura por encima del nivel del suelo (figura 11). la velocidad media del viento se determina por la velocidad del viento de referencia ponderada para tener en cuenta la altura del edificio, la irregularidad del terreno y la topografa. La presin del viento es proporcional al cuadrado de la velocidad media del viento. Adems, los parmetros siguientes son importantes: forma de la estructura; es importante reconocer que las cargas del viento no son simplemente una presin frontal aplicada a una estructura, sino que son el resultado de una distribucin compleja de la presin en todas las caras debido al movimiento del aire por toda la estructura. La distribucin se complica todava ms debido a las estructuras adyacentes y las obstrucciones/variaciones naturales como las colinas, valles y bosques que pueden influir en las pautas del movimiento del aire y la distribucin de la presin asociada. altura del tejado; este parmetro es realmente un aspecto especial de la forma estructural. Cabe sealar que las cubiertas

con una altura muy pequea pueden estar sujetas a elevacin o succin, mientras que las cubiertas de mayor inclinacin -digamos aproximadamente superior a 20- es probable que estn sujetas a una succin o presin descendente (figura 12). direccin del viento; las distribuciones de presin cambiarn segn las diferentes direcciones del viento (figura 13). coeficiente de respuesta de rachas; este coeficiente se utiliza para tener en cuenta la reduccin de la media espacial de la presin del viento con un rea creciente, debido a la no coincidencia de las presiones locales mximas que actan sobre la superficie externa de la estructura. As, partes pequeas del edificio, como unidades de revestimiento y sus fijaciones, pueden disearse para presiones de viento ms altas que la estructura en su conjunto. El coeficiente de respuesta de rachas se relaciona con una altura equivalente que corresponde aproximadamente al centro de gravedad de la fuerza neta del viento sobre la estructura.

Figura 13 Efecto de la direccin del viento sobre la distribucin de la presin

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Figura 14 Presiones locales de cargas de vientos

Los procedimientos tabulados permiten tener en cuenta los citados parmetros, en primer lugar en el clculo de la velocidad hipottica del viento y, en segundo lugar, en la conversin de esta velocidad del viento a un sistema de fuerzas sobre la estructura. Estas fuerzas estticas equivalentes pueden entonces utilizarse en el clculo y en la hiptesis de resistencia de la estructura, en conjunto. No obstante, deben tambin tenerse en cuenta ciertas caractersticas adicionales: las presiones locales, particularmente en las esquinas y alrededor de las obstrucciones de una superficie por lo dems lisa, pueden ser notablemente mayores que a nivel general (figura 14). Las presiones locales altas afectan especialmente a los detalles de revestimiento y fijaciones, pero pueden tambin ser una consideracin para los elementos estructurales en esas reas. las estructuras sensibles deben recibir un tratamiento ms sofisticado. Puede incluir ensayos en

Figura 15 Uso de bandas helicoidales

tnel de viento y contemplar la influencia de los edificios colindantes. Las estructuras que pueden requerir este tratamiento son los edificios altos, los puentes largos o esbeltos, los mstiles y las torres. la inestabilidad aerodinmica puede ser una consideracin en ciertos tipos de

Zona 1 (0...1)

Zona 2(1...2)

Zona 3 (2...3)

Zona 4(3...4)

Zona 5 (4...5)

Figura16Mapadezonadeniev

eenEuropa(provisional)

Figura 16 Mapa de zona de nieve en Europa (provisional)

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ACCIONES VARIABLES
Carga de nieve so [kN/m2] Altitud [m] 0 200 400 600 Zona 1 2 3 4 5 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 0,49 0,98 1,47 1,97 2,46 0,70 1,40 2,09 2,79 2,49 0,95 1,89 2,84 3,78 4,73 ta. En este enfoque no se tienen en cuenta aspectos como el incremento de la cada de nieve en altitudes mayores o las cargas localmente ms altas debido a la acumulacin de nieve. Los casos de colapso parcial o total debido a la carga de nieve no son desconocidos [5]. Un enfoque ms racional consiste en utilizar un mapa de nieves que indique las intensidades bsicas de la carga de nieve para una altitud especificada y un periodo de retorno similar al de las velocidades de viento bsicas (figura 16). Pueden entonces aplicarse correcciones para las diferentes altitudes o vida til prevista, tal como se muestra en la tabla 2. En la actualidad, el mapa de nieves europeo es provisional y se estn realizando trabajos adicionales para recoger ms datos. Las tolerancias para diferentes configuraciones de cubiertas pueden tratarse mediante un coeficiente de forma. ste prev condiciones tales como las acumulaciones de nieve detrs de parapetos, en limahoyas y en los cambios abruptos de la altura de la cubierta (figura 17). Adems de las nevadas en condiciones de calma, puede ser necesario considerar los efectos del viento. El viento puede provocar una redistribucin de la nieve y, en algunos casos, su eliminacin parcial de las cubiertas. Todo cambio de la distribucin de la nieve en las cubiertas debido a una prdida excesiva de calor a travs de una parte de la cubierta o a operaciones de limpieza de la nieve deben tenerse en cuenta si tales patrones de carga son crticos. El Eurocdigo 1 [1] no abarca las cargas de viento adicionales debidas a la presencia de nieve o a la formacin de hielo, ni las cargas en reas en las que la nieve est presente durante todo el ao.

so

0,412z

(1 + (A 280)2

donde: A z es la altitud del local por encima del nivel medio de mar [m] es una constante que depende de la zona sometida a la carga de nieve.

Tabla 2 Cargas de nieve para zonas indicadas en la figura 16

estructura o componente, por ejemplo en las chimeneas y los mstiles. El efecto de los torbellinos normalmente puede evitarse mediante el uso de cintas (figura 15). Las oscilaciones de flexin alterna pueden ser un problema en los cables.

3.7 Cargas de nieve

Tradicionalmente, las cargas debidas a la nieve se han tratado especificando una nica intensidad de carga, con posibles reducciones para las pendientes pronunciadas de la cubier-

3.8 Carga de las olas

En las estructuras martimas, en aguas profundas y hostiles, las cargas de las olas pueden ser particularmente severas. Las cargas surgen debido al movimiento del agua asociado con la accin de las olas. Estos movimientos pueden describirse matemticamente para relacionar las fuerzas con caractersticas fsicas de las olas tales como la altura y la longitud.

Figura 17 Acumulacin de nieve

77

El tratamiento es por tanto similar al de las cargas del viento, en la medida en que estas caractersticas fsicas se predicen, calculndose entonces las fuerzas correspondientes en la disposicin estructural particular. Estos mtodos de clculo son, sin embargo, muy complicados y deben realizarse de forma realista en un ordenador.

3.11 Cargas ssmicas

En algunas partes del mundo los terremotos son una consideracin importante en el diseo. Las acciones ssmicas sobre las estructuras se deben a un fuerte movimiento del terreno. Son funcin del propio movimiento del terreno y de las caractersticas dinmicas de la estructura. Los movimientos fuertes de terreno pueden medirse mediante uno de sus parmetros, siendo la aceleracin mxima del terreno el adoptado con mayor frecuencia en ingeniera. Estos parmetros se expresan sobre una base probabilstica, es decir, se asocian a una cierta probabilidad de incidencia o a un periodo de retorno, en combinacin con el periodo de vida de la estructura [3].

3.9 Efectos de la temperatura

Las estructuras expuestas, como los puentes, pueden verse sometidas a variaciones importantes de temperatura que deben ser tenidas en cuenta en el proyecto. Si no se prevn en trminos de tolerancia para la dilatacin, pueden desarrollarse fuerzas importantes y deben incluirse en el clculo esttico. Adems, temperaturas diferentes, por ejemplo entre la cubierta de hormign y las vigas de acero de un puente mixto, pueden inducir a una distribucin de las tensiones que el proyectista debe considerar.

3.12 Cargas accidentales

Las acciones accidentales pueden sobrevenir como resultado de situaciones accidentales. Estas situaciones pueden ser incendio, impacto o explosin. Resulta muy difcil cuantificar estos efectos. En muchos casos puede ser preferible evitar el problema, por ejemplo disponiendo barreras protectoras para evitar la colisin de vehculos o aberturas de ventilacin para disipar las presiones creadas por las explosiones. Cuando deben disearse estructuras, como barreras protectoras para vehculos o multitudes, basadas en el impacto, la carga se trata como una carga esttica equivalente.

3.10 Material contenido

Las estructuras para retener y contener material (en grano o lquido) estarn sujetas a presin lateral. Para los lquidos, se trata sencillamente de la presin hidrosttica. Para el material en grano puede adoptarse un enfoque similar pero con una reduccin de presin que depende de la capacidad del material para mantener una pendiente estable (mtodo de Rankine). El estancamiento de agua en las cubiertas planas debe evitarse asegurando cadas adecuadas (1:60 o ms) hacia canalones de recogida de agua.

78

BIBLIOGRAFA ADICIONAL
4. RESUMEN FINAL
Existen muchas fuentes de cargas estructurales, especialmente cargas permanentes, las que se deben al uso de la estructura y a los efectos climticos como el viento, los sesmos, la nieve y la temperatura. Las cargas deben cuantificarse a efectos del proyecto estructural. Las cargas permanentes pueden calcularse. Las cargas impuestas slo pueden relacionarse con el tipo de uso a travs de la observacin de otras estructuras similares. Las cargas climticas se basan en un tratamiento estadstico de los datos registrados. Los valores calculados o prescritos de las cargas se ponderan para proporcionar un margen de seguridad adecuado. Debe reconocerse la naturaleza, as como la magnitud de las cargas, particularmente en trminos de comportamiento dinmico y de fatiga.

6.

BIBLIOGRAFA ADICIONAL

1. Monograph on Planning and Design of Tall Buildings, Volume CL, Tall Building Criteria and Loading, American Society of Civil Engineers, 1980. 2. Civil Engineers Handbook, Butterworths, London, 1974. 3. Bridge Aerodynamics Conference, Institute of Civil Engineers, Thomas Telford, London, 1981. 4. On Methods of Load Calculation, CIB Report No 9, Rotterdam, 1967. 5. BRE The Designers Guide to Wind Loading of Building Structures Parte 1 Butterworths, 1985 Parte 2, Butterworths, 1990.

5.

BIBLIOGRAFA

[1] Eurocdigo 1: Basis of Design and Actions on Structures CEN. [2] Eurocdigo 3: Design of Steel Structures: ENV 1993-1-1: Parte 1.1, General principles and rules for buildings, CEN, 1992. [3] Eurocdigo 8: Structures in Seismic Regions - Design, CEN (en preparacin). [4] Floor Loadings in Office Buildings - the Results of a Survey, BRE Current Paper 3/71, Building Research Establishment, Watford, 1971. [5] Design Practice and Snow Loading Lessons from a Roof Collapse, The Structural Engineer, Vol 64A, No 3, 1986.

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.4.1: Historia del Hierro y del Acero en Estructuras

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Para entender cmo el acero ha llegado a ser un material estructural con la primordial importancia que tiene hoy en da, resulta esencial comprender su relacin con el hierro fundido el pudelado y sus propiedades, adems de la forma en que estos materiales han ido evolucionando. LECCIONES AFINES Leccin 1.2: Fabricacin y Productos de Acero

RESUMEN Se describen las propiedades de los tres metales frricos, la fundicin, el hierro forjado y el acero, y se resume la evolucin de su produccin. Se explica asimismo la evolucin de su uso estructural y se presentan las perspectivas de desarrollo futuro.

CONOCIMIENTOS PREVIOS Ninguno.

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1.

PROPIEDADES DE LOS TRES METALES FRRICOS: FUNDICIN, HIERRO FORJADO Y ACERO

una menor resistencia a la corrosin que el hierro forjado y es menos maleable y, por tanto, menos adecuado para la realizacin de formas asumibles y fluidas. Estas propiedades, en trminos de resistencia y contenido de carbono, se muestran en la figura 1; los valores indicados deben considerarse indicativos ms que como lmites absolutos. No se incluyen las fundiciones maleables o dctiles, cuya resistencia a la traccin se sitan muy por encima de las indicadas.

La fundicin, como su propio nombre indica, se conforma vertiendo metal fundido en un molde y dejando que solidifique; de este modo puede obtenerse una amplia variedad de formas, a menudo muy complicadas. Es muy resistente a compresin, relativamente quebradizo a traccin, mucho ms rgido que la madera, pero frgil. El hierro forjado es resistente a traccin y compresin y dctil, por lo que constituye un material ms seguro para vigas que la fundicin. Su principal inconveniente radica en el hecho de que, al no alcanzar nunca un estado completamente fundido, slo puede conformarse por laminado o forjado, lo que limita sus posibles formas estructurales y decorativas. Las propiedades del acero dulce (soldable) son similares a las del hierro forjado pero, por lo general, es ms resistente y puede tanto fundirse como laminarse. Sin embargo, presenta

Figura 1 Relacin de resistencias y contenidos de carbono en fundicin, hierro forjado y acero

84

EVOLUCIN DE LOS METALES FRRICOS

2. EVOLUCIN DE LOS METALES FRRICOS
En este horno, el carbono de la fundicin bruta se quemaba en un horno de reverbero mientras que las impurezas se eliminaban mediante el forjado. A medida que el proceso continuaba y el hierro se haca ms puro, su punto de fusin se elevaba y la carga del horno se haca ms viscosa para finalmente ser extrada en una forma plstica para su laminado o forjado. Fue el incremento de la escala de la operacin lo importante, ms que cualquier cambio del material real que, efectivamente, era el mismo que la variedad de forja. La modernizacin del hierro forjado dependi no slo del proceso de pudelado, sino de la idea de rodillos estriados que hicieron posible la produccin econmica de perfiles angulares L y en T y, posteriormente, perfiles en U y viguetas laminadas. De nuevo, Henry Cort, que haba patentado los rodillos estriados en 1784, se lleva el mrito aunque las recompensas econmicas se le escaparon.

2.1 Hierro de forja

El hierro se conoce y se ha utilizado durante ms de tres mil aos, pero hasta el desarrollo del alto horno en torno al 1500 DC no pudo producirse en forma fundida. En China, el hierro fundido se remonta a pocas mucho ms tempranas, pero en el mundo occidental no se conoce hasta mucho despus de la invencin del alto horno. Existe alguna evidencia de que los romanos saban producir fundicin pero, si lo hacan, el conocimiento de ello ciertamente se ha perdido. Antes del horno alto, el hierro se extraa del mineral mediante reduccin qumica en hornos sencillos o chimeneas. Inevitablemente, la escala de la operacin era pequea y el proceso bastante laborioso, ya que el hierro llegaba en una forma pastosa dura, alejada del estado lquido, que seguidamente se refinaba y conformaba mediante forja. En esencia, esto era el hierro de forja.

2.4 Acero
Aunque el acero vena fabricandose desde la antigedad, la produccin del material, tal y como lo conocemos hoy en da, data del siglo XVIII. Se produca por cementacin, proceso mediante el cual barras de hierro pudelado puro absorban carbono durante un prolongado tratamiento trmico o, desde la primera mitad del siglo XVIII, en forma fundida mediante el proceso en crisol de Hunsman. El material obtenido por cementacin se destinaba especialmente a la manufactura de cuchillos y herramientas y careci de una relevancia real en la construccin. El acero de crisol continu producindose, aunque a un nivel decreciente, hasta despus de la Segunda Guerra Mundial; no est claro en qu medida se utiliz estructuralmente en obras de construccin. Una falacia comnmente admitida es que el uso del acero con propsitos estructurales data de mediados de 1850, con el convertidor de Bessemer; No slo Kelly lo obtuvo primero en EEUU con un proceso prcticamente idntico, sino que la cantidad de acero que ya se estaba

2.2 Hierro fundido o colado

En el siglo XVI, el hierro fundido o colado era difcil de producir a gran escala antes del paso del carbn vegetal al coque como combustible. Con el carbn, el tamao prctico del horno estaba limitado por la trituracin del combustible, el peso de la carga del mineral y, por ello, el tamao del horno. Abraham Darby es reconocido generalmente como el padre de la fundicin con coque y, aunque sta se produjo en 1709, su aplicacin industrial no se generaliz hasta 1750, en Gran Bretaa, y bastante despus en el resto de Europa.

2.3 Hierro forjado industrial

El hierro forjado a gran escala, al contrario que el hierro de forja, fue posible como resultado de los avances que culminaron en el horno de pudelado de Henry Cort patentado en 1793.

85

produciendo con otros mtodos era considerable. Slo en Gran Bretaa se producan cada ao unas 60.000 toneladas de acero en torno a 1850, lo cual no es nada despreciable, salvo si se compara con una produccin anual mundial de 2,5 millones de toneladas de hierro en el mismo periodo. El acero de Bessemer era ciertamente ms econmico y poda producirse en cantidades mayores, pero su calidad era incierta. Hasta el perfeccionamiento del proceso de

horno abierto de Siemens-Martin en 1880, el acero no pas a utilizarse ampliamente en la construccin y en la industria naval. Hoy se utiliza muy poca fundicin en estructuras y no se produce ningn hierro forjado. El acero es el ms utilizado. Existen, no obstante, algunos signos de un renacimiento limitado de la fundicin, particularmente en la forma dctil, slo disponible desde los aos 40.

86

LOGROS ALCANZADOS CON HIERRO...

3. LOGROS ALCANZADOS CON HIERRO Y ACERO ESTRUCTURALES
Periodo del hierro forjado Periodo del acero 1850-1900 1880 Actualidad

Para observar los logros estructurales alcanzados con el hierro y el acero en los ltimos 250 aos, es conveniente clasificarlos en relacin con el periodo, o poca, en los que predominaron cada uno de los tres metales frricos. Inevitablemente, estos periodos se solapan y resulta significativo que en cada caso fue necesario mucho tiempo (hasta 50 aos) para que los descubrimientos fueran utilizados comercialmente. Aproximadamente, los periodos son los siguientes: Periodo de la fundicin 1780-1850 (Columnas hasta 1900)

Estas fechas reflejan la situacin en Gran Bretaa, donde la siderurgia estuvo ms desarrollada que en cualquier otro lugar en la primera mitad del siglo XIX. En Francia no hubo ningn periodo verdaderamente perteneciente al acero, mientras que en EEUU tanto la fundicin como el hierro forjado se utilizaban comparativamente menos antes de mediados del siglo XIX, despus de lo cual se produjo una explosin positiva de su aplicacin. Por otra parte, el acero se hizo popular ms o menos al mismo tiempo en Europa y en Amrica. En la figura 2 se hace hincapi en lo corto que fue el periodo total del uso estructural del hierro y el acero en relacin con el conocimiento humano del hierro.

Figura 2 3000 aos del uso del hierro y del acero (pero su uso en estructuras se limita a los ltimos 250 aos)

87

4.

EL PERIODO DE LA FUNDICIN (1780-1850)

Debido a su disponibilidad en el mercado, se introducen nuevos materiales por su economa o para resolver problemas especficos.

4.1 Puentes de fundicin en arco

Los primeros puentes de fundicin eran todos formas en arco en las que sta simplemente sustitua la albailera, siendo sus ventajas una considerable reduccin de peso y del empuje horizontal, la economa y la rapidez de ejecucin. El primer puente de fundicin de cualquier magnitud fue el famoso puente de Coalbrookdale, realizado en 1779, con una luz de unos 33 metros (diapositiva 1); una estructura llena de aparentes contradicciones con mezcla de detalles de carpintera y albailera, pero que todava hoy sigue orgullosamente en pie. A la construccin de este puente sigui una completa sucesin de puentes en arco de fundicin en Gran Bretaa, como el Wear Bridge de Thomas Wilson de 1792-6, con pletinas de hierro forjado reforzando las dovelas de fundicin y una luz de 72 metros (diapositiva 2). El clmax, pero de ningn modo el ltimo puente de fundicin, fue quiz el Mythe Bridge de Telford en

Diapositiva 2

Tewkesbury (1823-26) con una luz de slo 52 metros pero ligersimo y con una estructura totalmente lgica. (diapositiva 3). En otros lugares de Europa los puentes en arco de fundicin fueron escasos hasta bien entrado el siglo XIX, con un nmero de diseos que superan ampliamente el nmero de realizaciones. Le Pont des Arts de Pars, construido en 1801-3 por Cessart, fue quiz el ms famoso pero, lamentablemente, ha sido hoy sustituido por una reproduccin soldada no del todo convincente. En aquel tiempo, tambin en Rusia se construyeron algunos puentes de fundicin en arco.

4.2

La Fundicin en los Edificios

Diapositiva 1

En todos los edificios, el incendio era un problema recurrente con las estructuras de madera. Casi con toda seguridad sta fue la razn de una aplicacin muy temprana de la fundicin, en las columnas que soportaban la amplia cocina y la chimenea de 1752 en el Monasterio de Alcaova, en Portugal. En Gran Bretaa, la fundicin se utilizaba a principios de los aos 1770 en iglesias, en parte para la reproduccin econmica de los

88

EL PERIODO DE LA FUNDICIN (1780-1850)

Aproximadamente entre 1810 y principios de 1940, se produjo un creciente inters por las viguetas de fundicin, algunas de ellas con vanos de 12 metros o ms, como las del British Museum de principios de 1820 (figura 3). Algunas veces estas fundiciones se utilizaban como meros sustitutos de las maderas principales de suelos esencialmente de madera, pero en otros casos se combinaban bovedillas de ladrillos, como en las fbricas en torno a 1800, o forjados de piedra, con vigas de fundicin de grandes forjados para proporcionar rigidez, aislamiento acstico y proteccin contra el incendio. Otra forma de ignifugacin consista en planchas de hierro forjado en el interior del arco del espacio del techo entre vigas de fundicin. El apogeo del desarrollo de los forjados de fundicin se alcanz en el Palacio de Westminster de Barry, de los aos 1840. Hasta mediados de los 1840, la fundicin se consider el material milagroso hacia el que todo el mundo deba volcarse. Es un misterio lo poco que se sabe acerca de quin fij realmente las dimensiones y la forma de las vigas utilizadas por Nash, Barry y otros arquitectos de este periodo. El libro de Thomas Tredgold de 1824 sobre la fundicin tuvo sin duda influencia, pero es peligrosamente errneo en algunos aspectos. En la mayora de los casos, es probable que la carga de prueba de las vigas, que se empleaba ampliamente, proporcionara la principal salvaguarda contra los errores de concepcin y los defectos de ejecucin.

Diapositiva 3

ornamentos gticos, pero tambin para columnas estructurales. En Rusia, la fundicin arquitectnica se utiliz ampliamente durante todo el siglo XVIII pero no est claro hasta qu punto se utiliz tambin para apoyar suelos y cubiertas. Resulta difcil ver alguna tendencia originada a partir de estas primeras aplicaciones de la fundicin en edificios. Fue en las fbricas textiles britnicas de varias plantas, en los aos 1790, donde la fundicin demostr tener un importante futuro en las estructuras de edificios. El desastroso incendio en Albion Mill en 1791 fue quiz el mayor incentivo para cambiar. Bage y Strutt fueron los grandes pioneros. Entre ellos, desarrollaron interiores totalmente incombustibles de fundicin y ladrillo, pero con luces de forjado de solamente entre 2,5 y 3,0 metros en cada direccin, como era el caso con los interiores de madera. Posteriormente, esta construccin de hierro en fbricas se extendi a los almacenes, con un incremento gradual de las luces. Mientras el fuego era la razn principal del cambio en las fbricas, exista un deseo creciente, en edificios pblicos y casas grandes, de disponer de forjados de grandes luces que no hicieran flecha ni oscilaran. La madera haba demostrado ser generalmente inadecuada para luces superiores a 6-7 metros.

Figura 3 Viga de hierro fundido con vano de 12,5 metros en el forjado de la Biblioteca del Rey del Museo Britnico: a principios de los aos 20 por J. U. Rastrick

89

Una parte de l era una combinacin de fundicin y hierro forjado y otra era simplemente hierro forjado. Existe poca evidencia de que se utilizara acero en aplicaciones estructurales en este periodo. En Gran Bretaa, la fundicin se utilizaba a veces combinada con madera, como en el Nuevo Muelle del Tabaco de 1811-14 o con hierro forjado, como en la cubierta de 1837 de la Estacin de Euston (diapositiva 4). Despus de 1840, la escala de la construccin en hierro y la proporcin de hierro forjado/fundicin en las estructuras mixtas se increment substancialmente. La Palm House en Kew de 184447, de Richard Turner y Decimus Burton, marc un avance en los primeros invernaderos e incorpora probablemente los primeros perfiles en I laminados del mundo. Las cubiertas de hierro forjado de vanos crecientes sobre columnas de fundicin proliferaron tanto en los astilleros navales como en las estaciones de tren, culminando en la cubierta de Turner con una luz de 47 metros en Lime Street, Liverpool (1849). En Francia se construyeron algunos forjados y cubiertas de hierro pudelado altamente innovadores antes de la Revolucin, como la cubierta de 21 metros de luz de Victor Luis en 1786 en el Teatro del Palais Royal de Pars (figu-

Diapositiva 4

Aparte de las fbricas y los forjados de grandes luces, hubo un amplio abanico de nuevos usos de la fundicin entre 1810 y 1840, algunas veces por si misma en estructuras completas, como el Mercado de Hungerford de 1836 o la altamente decorada Lonja de Carbn de Bunning, realizada en 1847-49. En Rusia se realiz tambin una cantidad considerable de construcciones de edificios de fundicin en la primera mitad del siglo XIX como el teatro Alexandrinsky de 1829-32 y la Cpula de la Catedral de San Isaac (1837-41). Hacia finales de los aos 1840, la fundicin haba perdido en gran parte su imagen dorada y empezaba a considerarse un material no fiable, especialmente para las vigas. El colapso progresivo de cinco plantas de la Fbrica Radcliffe en Oldham en 1844 y la rotura del Dee Bridge en 1847 resultaron muy perjudiciales para su imagen.

4.3 Combinacin de fundicin y hierro forjado en la construccin

No todo el hierro en el periodo del hierro era fundido.
Figura 4 Cubierta Victor Luis de hierro forjado con vano de 21 metros, 1786

90

EL PERIODO DE LA FUNDICIN (1780-1850)

siguieron fieles a la madera en lugar del hierro durante la primera mitad del siglo XIX, pero debe reconocrseles la introduccin del puente colgante de losa horizontal, patentado por James Finley en 1808, con bastidor de hierro forjado (diapositiva 5). A partir de ah se produjo una pequea batalla de principios sobre la forma del cable. Gran Bretaa se inclinaba por las cadenas de hierro forjado con uniones de barra con ojal, como lo haba hecho Finley, mientras que los franceses preferan los cables de alambre, debindose la diferencia en Figura 5 Viga de losa en hierro forjado de Ango, hacia 1780 gran medida al estado de las industrias ra 4). En esta cubierta, como en el puente de del hierro en ambos pases. Coalbrookdale, la lgica estructural no est del todo clara. Sin embargo, el sistema de forjado de En 1850, Francia haba construido varios perfiles planos de hierro forjado en arco realizacientos de puentes colgantes, principalmente do por M. Ango en los aos 1780 (figura 5) es debido a la empresa de los hermanos Seguin, claramente comprensible y los derivados de este mientras que Gran Bretaa contaba escasamensistema se siguieron utilizando hasta que fueron te con ms de una docena. Si los franceses sustituidos por algunos sistemas ignfugos, hubieran confinado los alambres a los cables por todava basados en hierro forjado, a finales de encima del suelo todo habra ido bien, pero no lo los aos 1840. La fundicin tuvo un gran impachicieron. La corrosin se convirti en el problema to en Francia en los aos 1830 y posteriores, principal, llevado al extremo con el colapso en destacando la gran cubierta de hierro de 18371850 del puente colgante de Basse-Chaine, con 38 en la Catedral de Chartres y la Biblioteca de el resultado de 226 muertes. A ello le siguieron Ste. Genevive de 1843-50, pero el hierro forjagrandes trabajos de correccin y la construccin do segua manteniendo su predominio. de puentes colgantes prcticamente se detuvo en Francia durante muchos aos. Sin embargo, a La construccin mixta se extendi bastanpartir de la influencia francesa, los cables de te en Rusia. En San Petersburgo, se realiz una alambre sustituyeron a las cadenas de barra con forma de vigueta de plancha remachada, en 1838, ojal en EEUU y se convirtieron prcticamente en para la reparacin del Palacio de Invierno desnorma en todo el mundo. pus del incendio de 1837. Este desarrollo se produjo justo diez aos antes del desarrollo independiente de las vigas de hierro forjado remachado en Gran Bretaa.

4.4 Puentes colgantes

Algunos de los trabajos ms creativos en puentes colgantes se remontan al periodo de la fundicin pero se refieren a hierro forjado, aunque Tredgold tuvo la temeridad de sugerir cables de sustentacin de fundicin. En la mayora de los campos de la construccin, los EEUU

Diapositiva 5

91

EL PERIODO DEL HIERRO FORJADO (1850-1900)

5.1 El hierro en los puentes

El periodo del hierro forjado fue, en sus principios, el de la viga de hierro remachada, que data de finales de la dcada de los cuarenta del siglo pasado, aunque ya entonces este material se haba introducido con firmeza en la construccin mixta. Vistas desde la distancia, las vigas de hierro forjado deben su nacimiento, en parte, a las dudas a cerca de la seguridad de la fundicin a flexin, y a la exitosa experiencia de su utilizacin en los barcos de hierro. Sin lugar a dudas, la mayor contribucin singular, no slo al desarrollo de las vigas remachadas, sino al establecimiento general del hierro forjado como material dominante del periodo, fue el diseo y construccin del Britannia Bridge y de los puentes tubulares de Conway. Las figuras clave fueron Robert Stephenson, ingeniero en Chester and Holyhead Railway; William Fairbairn, el hombre prctico con experiencia en barcos de hierro; e Eaton Hodgkinson, el terico y experimentador. En el ao 1845, enfrentados con la entonces aparentemente imposible tarea de hacer pasar trenes sobre los Estrechos de Menai, en un momento en que los agentes encargados del transporte daban la espalda a los puentes de arco y colgantes, por haberse revelado estos

inadecuados para cargas de ferrocarril, desarrollaron una nueva forma estructural, la viga en cajn, y efectuaron su demostracin a una escala suficiente para que los trenes pasaran por su interior (diapositiva 6). Sin embargo, no fueron los puentes lo importante, sino los conocimientos derivados del extenso programa de investigacin y ensayos que los hizo posibles. Estos tres hombres despejaron la creencia inicial de que el hierro forjado era ms dbil a compresin que a traccin, demostraron que un tubo rectangular era ms resistente a la flexin que uno circular u oval, aislaron el problema del pandeo de planchas y mostraron cmo contrarrestar este comportamiento con alas celulares y rigidizadores de alma. As, estos tres hombres y sus ayudantes establecieron el hierro forjado remachado como un material calculable para vigas de magnitud casi ilimitada. Ms an, demostraron las ventajas de la continuidad de las vigas, incluso para cargas permanentes (basndose en el trabajo terico de Francia) y probaron que la resistencia de los remaches dependa tanto de la sujecin como de la accin de la espiga. La amplitud de los ensayos de materiales y modelos para estos puentes fue prodigiosa. La rapidez del trabajo fue casi tan notable como los resultados. El problema de cruzar los estrechos de Menai se plante a principios de 1845, el puente de Conway se abri en diciembre de 1848 y el puente de Britannia en marzo de 1850. En ambos casos, los trabajos de los elementos de apoyo se iniciaron en la primavera de 1846, mucho antes de que todos los problemas de las estructuras en vano se hubieran resuelto. Otros puentes de hierro forjado ms pequeos del mismo periodo, con almas de compresin celulares fueron, al parecer, derivados de este desarrollo bsico. Es preciso sealar que, de manera concurrente con este importante trabajo de innovacin, Stephenson fue el responsable de gran cantidad de otras construcciones de ferrocarriles, incluido el puente de Alto Nivel de Newcastle de seis vanos, con arcos con tirantes de fundicin, de 1846-49 (diapositiva 7), y el mal conce-

Diapositiva 6

92

EL PERIODO DEL HIERRO FORJADO...

da en los aos 1850. En la figura 6 se muestran algunos de los pasos de esta transformacin. La racionalizacin de las vigas de celosa y su evaluacin estructural tambin se produjo en los aos 1850. Muchas de estas formas se derivaron de la construccin en madera en EEUU, pero dieron al remachado y al hierro forjado un alcance enorme. El puente Britannia ha sido criticado por el derroche de material en comparacin con una estructura equivalente con lados cerchados abiertos, pero esto no es justo si consideramos lo poco que se saba sobre la verdadera accin de la cercha a mediados de los aos 1840. En las figuras 7a y 7b se encuentran formas de cercha matemticamente racionales de aquel periodo. Existan numerosas variaciones sobre estas formas. En todos los pases se realizaron puentes de hierro forjado de todas las formas y tamaos . En Gran Bretaa, el puente Saltash, de I.K. Brunel, se termin en 1859 y el tristemente celebre puente Tay, abierto en 1878, se recuerdan por muy diferentes razones. Los grandes arcos del francs Gustave Eiffel en Oporto y Garabit, de 1875-77 y 1880-84 respectivamente, son actualmente famosos en todo el mundo. En EEUU, el puente Colgante Wheeling de 1847-49, el puente Nigara de Roebling terminado en 1855 y el puente en Arco de St. Louis de James Ead, de 1867-1874, son merecidamente famosos, aunque cabe sealar que los ltimos son slo en parte de acero.

Diapositiva 7

bido Dee Bridge en Chester, basado en vigas de cerchas de fundicin, que colaps desastrosamente en 1847 poco despus de inaugurarse. La presin que se ejerca sobre los lderes de la ingeniera en aquel momento es difcil de imaginar y no sorprende que, en ocasiones, las relaciones se hicieran tensas, como ocurri entre Stephenson y Fairbairn. La evolucin de las vigas compuestas actuales, desde aquellas vigas con almas de compresin celulares, se produjo en gran medi-

5.2 El hierro forjado en los edificios

En los edificios, el panorama del uso del hierro fue ms modesto, por lo general, siendo su utilizacin ms destacable en forjados, tanto en Gran Bretaa como en otros pases europe-

Figura 6 Ejemplos de transicin de alas de compresin celular a vigas de chapa remachadas

93

Internamente, las estructuras varan, estando representados el hierro, la albailera y la madera. Aparte de estas aplicaciones tiles, a menudo ocultas, del hierro en edificios tradicionales, en muchos pases se construyeron algunas estructuras de edificios espectaculares, principalmente cubiertas de gran luz. Ms frecuentemente, pero sin ser exclusivas, se utilizaban en las estaciones de ferrocarril. Cabe hacer mencin de la cpula nervada de hierro de la sala de lectura del British Museum (1854-57), los arcos de 73 metros de hierro forjado de la estacin de St Pancras (1868) y la cpula del Albert Hall (1867-71). Estos edificios rivalizaban en Francia, por ejemplo con la Biblioteca Nacional (1868), Les Halles (1854-68) y el mercado municipal Bon March (1867-78); y en EEUU con la cpula del Capitolio en Washington (1856-64).
Figura 7 (a) Primitivas vigas de celosas intuitivas (Bollman y Fink). (b) Vigas de celosa matemticamente racionales (Pratt y Warren)

os. Casi con total seguridad, el desarrollo de estos sistemas de forjado en Francia, a finales de los aos 1840 y principios de los 50, fue lo que dio impulso al desarrollo comercial de las viguetas laminadas, independientemente de si se laminaron las primeras all o en Gran Bretaa. El tamao de los perfiles de las viguetas se increment de forma gradual, pero hasta el advenimiento del acero licuado las dimensiones estaban limitadas por los problemas que entraaba el manipular grandes cantidades de hierro forjado. La fundicin sigui utilizndose para columnas hasta mucho despus de 1850. En EEUU apareci la moda de las fachadas de fundicin, que dur varias dcadas. Bogardus y Badger fueron los dos grandes promotores.

En todo este periodo la estabilidad de la mayora de los edificios, en particular los de ms de una planta, dependa de muros de albailera, tanto si sus suelos o cubiertas eran o no de acero. El camino hacia la estructura totalmente de hierro o acero es incierto. A menudo se dice que el Home Insurance Building de Chicago de 1884-85 fue el primer edificio alto con estructura completa de acero inici una evolucin continuada. El primer ejemplo de una estructura con uniones rgidas fue quiz el Boat Store de cuatro plantas de Godfrey Greene en Sheerness, de 1858-60. Al Great Exhibition Building de Londres, de 1851, y la fbrica de chocolate Menier en las afueras de Pars, de 1870-71, tambin se les atribuye el ser los primeros, pero ambos estn dotados arriostramientos en cruz de S. Andrs y, de cualquier modo, no parecen tener una influencia directa sobre la construccin actual en acero de varias plantas.

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EL PERIODO DEL ACERO...

6. EL PERIODO DEL ACERO (1880-ACTUALIDAD)
cables trenzados de alambres de acero de alta resistencia. En edificios, el rascacielos creci en acero y en Amrica. Las cubiertas de gran luz, tanto en Francia como en EEUU, tambin aumentaron de escala con el acero. Primero se construyeron las grandes estructuras de arco de tres rtulas en las estaciones de ferrocarril de Filadelfia de 1893 (luces de 79 y 91 metros) seguidas por la Galerie des Machines para la Exposicin de Pars en 1889, con una luz de 111 metros, ms del 50% de St Pancras. Estas luces, a su vez, pasaron a ser minsculas comparadas con las de las cpulas en los estadios deportivos en la posguerra. El vano de la Louisiana Superdome de 1875, con 207 metros, es ms de tres veces y media el del Albert Hall. La principal innovacin en la tcnica del acero fue la introduccin de la soldadura, hacia 1930, aunque puedan existir ejemplos anteriores. En la actualidad, los remaches estn tan muertos y enterrados como el hierro forjado. Hoy la soldadura y los pernos dominan la construccin en acero. En todos los terrenos, las innovaciones tienden a adaptarse a nuevas necesidades y esto parece ser especialmente cierto en el caso de los puentes. Desde la Segunda Guerra Mundial, la mayor parte de los nuevos conceptos en puentes colgantes, especialmente los relativos al diseo aerodinmico y ahorro de peso, se ha producido en Gran Bretaa, mientras que Alemania ha liderado el campo del diseo de puentes atirantados.

El acero no es slo ms fuerte que el hierro forjado, sino que, al obtenerse en estado fundido, hace posible la fabricacin de mayores elementos forjados o laminados. Sin embargo, no es fcil distinguir cul es cul; durante varias dcadas, las estructuras de acero eran remachadas con idntico mtodo que el hierro forjado y, en consecuencia, su aspecto era idntico. El puente Forth, en acero, y la Torre Eiffel en hierro forjado se terminaron casi al mismo tiempo (1889-90). Observndolos, quin sera capaz de distinguir y sealar la diferencia? En la figura 8 se muestra cundo el acero super en cantidad al hierro forjado en Gran Bretaa. En la figura 9 se exhibe cmo aument la proporcin de acero MartinSiemens hasta copar el mercado en 1920. El mayor estmulo para el cambio al acero procedi de la industria de la construccin naval. El Lloyds Register admita planchas de acero de 4/5 del espesor de hierro forjado y, en 1908, insisti en que todo el acero para la construccin naval deba producirse mediante el proceso Martin-Siemens. En los puentes, el periodo del acero se caracteriz por un incremento de luces y alturas. La iniciativa se desplaz de Gran Bretaa a EEUU, donde la necesidad de puentes ms importantes era mayor en aquel momento. Todos los grandes puentes colgantes hasta 1945 (Golden Gate, George Washington, Transbay, etc.) se construyeron en acero remachado con

Figura 8 Transicin del hierro forjado (pudelado) al acero en Gran Bretaa (J.F. Clarke)

Figura 9 Aumento del dominio del acero Martn-Siemens en Gran Bretaa durante el perodo entre 1880 y 1920 (J.F. Clarke)

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7.

TCNICAS ACTUALES Y PERSPECTIVAS DE FUTURO

Uno de los movimientos ms notables en la construccin en los ltimos diez aos, en Gran Bretaa y tambin en el resto de Europa, consiste en el renacimiento de la estructura de acero en puentes y edificios. Las modas cambian en las construcciones, al igual que en el vestir, y lo mismo ocurre con las necesidades y los costes. As, resulta interesante observar algunas de las recientes variantes del acero de construccin y de los materiales que con l rivalizan para comprobar cmo han evolucionado y especular acerca de lo que puede ocurrir en el futuro. El acero resistente a la corrosin atmosfrica (sin pintar, con corrosin estabilizada) y las estructuras tubulares de acero ignifugadas mediante agua, son dos innovaciones de los aos 60, mas ninguna de ellas parece haber sido ampliamente adoptada. Por otra parte, el acero inoxidable, aunque mucho ms costoso incluso que el acero de alta resistencia, parece que ser cada vez ms aceptado cuando se tienen en cuenta los costes de mantenimiento. Los plsticos tienen todava que producir un impacto significativo, aunque ya son ampliamente utilizados en revestimientos protectores y acabados arquitectnicos. El aluminio que fue considerado un peligroso rival del acero de construccin, hasta

ahora ha tenido un escaso impacto en estructuras de puentes o edificios. El hormign armado (aun dependiente del acero) ha sido un competidor fuerte y creciente de las estructuras de acero desde los aos 1890, debido a su intrnseca resistencia al incendio y al deseo arquitectnico de dejar la estructura vista, tan de moda en las dcadas de los cincuenta y sesenta. En la actualidad esta tendencia se est invirtiendo y, desde 1980, asistimos a un vigoroso renacimiento del acero en la construccin. La creciente utilizacin del acero se ha visto favorecida por la bsqueda de una construccin de va rpida y la percepcin del hecho de que el hormign armado no es un material sin mantenimiento. Ha habido tambin un giro del gusto desde el hormign visto al estilo high-tech o a la completa envoltura de los edificios con muros cortina de vidrio o albailera. Los desarrollos futuros del acero de construccin en los edificios probablemente se asociarn con la proteccin contra incendios. Los revestimientos finos intumescentes, que hacen espuma al contacto con el calor y forman una capa protectora, se hacen ms y ms delgados, tanto como la pintura, y, adems la necesidad de tal proteccin puede verse substancialmente reducida por el desarrollo de la ingeniera contraincendios. Este desarrollo puede conducirnos a una nueva era de estructuras de acero expuestas con una atencin creciente a la forma de las barras y al aspecto de las uniones. La demanda de piezas fundidas de acero o hierro dctil podra muy bien restablecerse.

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RESUMEN FINAL
8. RESUMEN FINAL
La utilizacin de hierro y acero en estructuras evolucion a caballo del desarrollo de la produccin y de las propiedades de los tres metales frricos, la fundicin, el hierro forjado y el acero. La forma definitiva de los elementos de fundicin se obtiene a partir de metal lquido que se vierte en un molde solidificandose. El hierro forjado nunca alcanza un estado de fusin total y se conforma mediante laminado y forjado. El acero puede fundirse y laminarse, pero su resistencia a la corrosin es menor que la del hierro forjado. El hierro se conoce y se utiliza desde hace ms de tres mil aos, pero hasta los ltimos 250 aos, con nuevos mtodos de produccin, no se produjo su utilizacin a gran escala. Primero de la fundicin, despus del hierro forjado y, finalmente, del acero. La fundicin se utiliz ampliamente en puentes y edificios durante el periodo comprendido entre 1750 y 1850. El hierro forjado se populariz durante 1850-1900, permitiendo la construccin de muchos puentes y estructuras de edificios, de magnitud y luz creciente. El uso del acero se extendi desde aproximadamente 1880 y, al ser ms resistente que el hierro forjado, se ha utilizado incluso en grandes estructuras. La introduccin de la soldadura del acero fue una importante innovacin en las tcnicas de unin, impulsando un uso ms amplio del acero. Para el futuro, el acero inoxidable resulta cada vez ms atractivo a pesar de su mayor coste. El desarrollo de la ingeniera contraincendios puede conducirnos a una nueva era de estructuras de acero expuestas, junto con una utilizacin ms amplia de los revestimientos de acero o de hierro dctil.

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.4.2: Historia del Diseo en Acero

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Describir a grandes rasgos los desarrollos en el diseo del hierro y el acero para estructuras. intelectuales franceses mientras que, Gran Bretaa, a finales del siglo XVIII y principios del XIX, asumi el liderazgo en el clculo prctico y en las aplicaciones. El empirismo del siglo XVIII fue sustituido por pruebas de carga a gran escala y clculo por estimacin, seguidos, despus de 1850, por los ensayos de componentes unidos al clculo elstico, quedando pronto los ensayos relegados por el control de calidad. A finales del siglo XIX, el liderazgo del desarrollo de la ingeniera pas gradualmente a Francia, Alemania y EEUU. La elasticidad y el anlisis grfico predominaron durante unos 100 aos hasta el advenimiento de la teora plstica y la informtica, y la automatizacin sustituy al trabajo manual en la produccin y el montaje. Los desarrollos en materiales, teoras y tcnicas estaban todos relacionados, aunque variaban de un pas a otro debido a las diferentes necesidades, carencias y oportunidades. En esta leccin se describen a grandes rasgos los desarrollos en los mtodos de diseo de estructuras metlicas, ilustrndolos con algunos ejemplos de estructuras de hierro y acero.

CONOCIMIENTOS PREVIOS Leccin 2.4.1: Historia del Hierro y el Acero en Estructuras

LECCIONES AFINES Lecciones sobre la metalurgia del acero; una base til para muchas otras lecciones, en especial aqullas relacionadas con el diseo de tipos de estructuras en particular.

RESUMEN Tal como la conocemos hoy, la teora estructural proviene en su mayor parte, de los

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1.

HISTORIA DEL DISEO EN ACERO: ESTADO DEL CONOCIMIENTO DE ESTRUCTURAS EN EL SIGLO XVIII Y ANTERIORES

rro en la construccin de albailera se dimensionaban tambin, al parecer, a ojo. En el siglo XVIII y primeros del XIX el problema principal, con la madera, era la flecha. Si era lo bastante rgida, deba ser lo bastante resistente. Esto puede parecernos ilgico en la actualidad, pero con la madera, que tiende a indicar su agotamiento crujiendo, flexando e incluso resquebrajndose mucho antes de romperse, la rigidez no era un mal criterio para valorar su aptitud. Sin embargo, los suelos de madera se colapsaban a veces, quiz la mayora de ellas debido a uniones mal concebidas. Hasta principios del siglo XIX no est nada claro quin fijaba las dimensiones de los elementos de madera o de sus uniones en las cerchas. Probablemente fuesen los carpinteros, basndose en la experiencia, la observacin y, tal vez, tambin en libros de copias de detalles. A pesar de los avances en el conocimiento de la resistencia y de la rigidez de los diferentes materiales, este enfoque no cientfico fue suficiente para la mayora de las construcciones hasta bien entrado el siglo XIX, al menos en Gran Bretaa, aunque quiz menos en otros lugares de Europa.

Hasta finales del siglo XVIII, las estructuras se diseaban esencialmente basndose en la proporcin. Hasta cierto punto, ello no significaba ms que decidir si los tamaos tenan un aspecto correcto (es decir, familiar) pero en muchos, quiz en casi todos los periodos, las autoridades tenan elaboradas algunas normas o instrucciones casi tan firmes como nuestras reglas de prctica actuales. La diferencia es que no se basaban en la resistencia o la tensin, sino en la forma y la escala. La tensin, en el sentido en que se utiliza el trmino hoy en da en ingeniera, no exista. Los materiales eran esencialmente albailera y madera, con algo de hierro. Con la albailera, el verdadero problema haba sido casi siempre la estabilidad ms que el aplastamiento del material y, hasta hace bastante poco, la estabilidad se estableca generalmente de forma visual. Los primeros tirantes de hie-

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ESTADO DEL CONOCIMIENTO ESTRUCTURAL...

2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO ESTRUCTURAL EN GRAN BRETAA A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX
donde b y d son el ancho y el canto del perfil, respectivamente No importaba si se utilizaban las teoras incorrectas de Galileo o Mariotte del siglo XVII o la teora correcta de Parent del siglo XVIII, siempre que la constante se derivara de ensayos de flexin y se utilizara en circunstancias comparables para la valoracin de la resistencia a la flexin de otros perfiles. En 1803, Charles Bage desarroll un mtodo perfectamente vlido para disear vigas de fundicin basado en ensayos y en la teora de la flexin de Galileo. Entre los primeros manuales de clculo matemtico en Gran Bretaa hay que destacar el libro de Peter Barlow sobre la madera, publicado por primera vez en 1817, y los libros de Thomas Tredgold sobre la madera y el hierro, publicados por primera vez en 1820 y 1822 respectivamente. Tanto Barlow como Tredgold hacan referencia a trabajos anteriores de Girard y otros europeos. Vale la pena observar los mtodos preconizados en estos libros para hacerse una idea de cmo, al menos un ingeniero britnico, poda haber abordado los problemas de fijar las dimensiones de elementos estructurales en los aos 1820. No se sabe con certeza en qu medida se utilizaban estos manuales.

A principios del siglo XIX, la intuicin dio paso al clculo para todos los materiales, y la teora estableci su predominio de forma creciente. Sin embargo, el objeto de esta leccin no es describir el desarrollo de las teoras estructurales que, en su mayor parte, debemos a los intelectuales franceses, sino mostrar cmo, concretamente en Gran Bretaa, pero tambin en el resto del mundo, estas teoras fueron gradualmente incorporandose al trabajo de los proyectistas. El hecho de que algunas de las teoras fueran incorrectas era irrelevante, siempre que se relacionaran con ensayos y que se establecieran comparaciones en circunstancias equivalentes. Por ejemplo, habiendo establecido que para una viga rectangular la resistencia a la flexin era proporcional a: (bd2) (una constante que depende del material)

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3.

CONOCIMIENTO DE LA MADERA A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX

Gran parte de la prctica actual con el acero se deriv originalmente de la madera, lo que constituye un buen punto de partida. En el caso simple de traccin directa, Barlow utiliz la palabra cohesin, que es proporcional al nmero de fibras o al rea de la seccin. Tabul la cohesin en una pulgada cuadrada, tal como hizo Tredgold, basando ambos sus valores en sus propios experimentos o en los de Musschenbroek, Emerson, Rondolet y otros. As, para una fuerza directa, el concepto de tensin estaba all en todo menos en el nombre. Para la madera, Barlow declar, en relacin con la resistencia absoluta que el experto sostiene que no debe emplearse ms de la cuarta parte de ella, pero seal que no era necesaria una reduccin tan grande. Ni el efecto de los nudos y otros defectos ni el concepto de un factor general de seguridad para cubrir todas las variables parecan incluirse en este criterio. Tredgold aceptaba meramente un factor de seguridad de 4 en la resistencia a la rotura de la madera tal como revelaban los ensayos. Con la madera, no era necesario considerar vigas que no fueran las de seccin rectangular. Barlow y Tredgold establecieron reglas prcticas tanto para la resistencia como para la flecha. Por ejemplo, para una viga rectangular de longitud L con una carga W, la regla de Tredgold para la resistencia daba: W = C bd2 L

donde la constante C tena en cuenta la resistencia del material, las condiciones de carga y diferentes unidades de longitud y seccin transversal. No haba referencia alguna a momentos flectores o momentos resistentes de la seccin. Todo era directo, los valores tabulados de C se derivaban de ensayos en pequeas secciones de madera tipo cargada de la misma manera. Resulta notable que tanto Barlow como Tredgold dedicaran tanto espacio a la flecha como a la resistencia; una clara reminiscencia de los tiempos en que el aplastamiento era la primera indicacin, o quiz la nica, de la inadecuabilidad. Tredgold sugiri 1 a 480 como lmite razonable para la flecha en relacin con el vano. Al considerar las viguetas de forjado, Tredgold haca hincapi de forma muy particular en la flecha. Estableci una regla, de nuevo controlada por una misteriosa constante, que relacionaba correctamente el vano, la separacin y el ancho de las viguetas con el cubo (no el cuadrado) de su altura pero, curiosamente, era independiente de la carga. Explic que la constante se basaba en piezas de madera que haban demostrado ser suficientemente resistentes aunque es difcil calcular el peso que un forjado debe soportar. As, tambin en este campo, el predominio de la resistencia sobre la proporcin todava no era completo.

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CONOCIMIENTO DE LA FUNDICIN...
4. CONOCIMIENTO DE LA FUNDICIN A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX
uniones de fundicin en los puentes colgantes eran ms robustas a su tensin de trabajo universal de 106 N/mm2 que las de hierro forjado. No debe considerarse que Tredgold se equivoc en todo. Su mtodo para calcular la flecha resulta generalmente correcto. Adems, con la fundicin, exista una demanda de perfiles que no fueran rectangulares y Tredgold se adentr en las propiedades de estos perfiles en alguna medida, obteniendo la respuesta correcta con los perfiles simtricos, pero posiblemente no debido a una razn completamente correcta, y rozando el error sobre la posicin del eje neutro en los perfiles en T y las formas similares. En las columnas de fundicin, al igual que en las de madera, las recomendaciones de Tredgold eran bsicamente correctas. Ciertamente era consciente del problema del pandeo y Timoshenko le considera el primero en introducir una frmula para calcular tensiones seguras para columnas (vase la comparacin de la figura 1). Sin embargo, en lo referente a los tirantes, se confundi una vez ms sobre el efecto de la longitud. Pensaba que los tirantes largos eran ms resistentes que los cortos, vindolos

En el caso de la fundicin, Tredgold, a quien sin duda alguna le debemos la primera gua de clculo de resistencia de materiales, se aproxim ms al pensamiento moderno que en su libro sobre la madera, pero en algunos aspectos estaba, comprensiblemente, muy equivocado. De nuevo, defendi un lmite de flecha de 1 a 480 para las vigas, pero tambin lo que podramos llamar una tensin de trabajo segura (f) de un valor alarmantemente alto de 106 N/mm2 (6,8 tonf/in2). Consideraba que este valor era el lmite elstico en flexin (basado en ensayos de barras de 25 25 mm de fundicin). Tambin hall que la resistencia absoluta de las barras de fundicin para resistir una deformacin transversal (mdulo de rotura) de estas barras pequeas era de 285-400 N/mm2 y, as, pens que haba obtenido un coeficiente de seguridad de 2,6 a 3,8. Asumi entonces, o al menos as lo parece, porque dijo muy poco directamente sobre ello, que utilizando la misma tensin de trabajo (f) a traccin directa tendra un margen de seguridad similar que a flexin. Asumi adems, y con mayor justificacin, que utilizando nuevamente esta tensin (f) a compresin, el margen de seguridad sera al menos igual de alto. As, todo lo que se deba hacer era calcular con el lmite elstico como tensin de trabajo, y todo ira bien. En el caso de la traccin directa, Tredgold descart las tcnicas de ensayo que haban dado unas resistencias a la rotura por traccin de aproximadamente 110-120 N/mm2 y no haba razn alguna para que supiera que los ensayos de flexin posteriores en vigas mayores de fundicin daran un mdulo de rotura tan bajo como 110 N/mm2 para hierro de calidad comparable. El ltimo de estos errores fue especialmente comprensible, ya que la variacin del mdulo de rotura con el tamao de la pieza de fundicin todava no ha sido totalmente explicado. No obstante, su pensamiento condujo a un conjunto de supuestos potencialmente peligroso. Sugiri incluso que las

Figura 1 Comparacin de la frmula de Tredgold para columna de hierro fundido de 1820 con su equivalente del siglo XX

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dudoso saber cuntos ingenieros en Gran Bretaa leyeron o entendieron los escritos de hombres como Thomas Young o John Robinson o los trabajos de la amplia galaxia de tericos en otros lugares de Europa. Algunos, seguramente lo intentaron y el nivel de xito sera difcil de medir hoy en da. El libro de Tredgold sobre la fundicin se tradujo al francs y al alemn y se publicaron varias ediciones, la ltima de ellas en 1860, perpetuando los mismos errores. No obstante, a partir de 1830 sus consejos prcticos se enfrentaron a los de Eaton Hodgkinson, que defenda su perfil ideal para las vigas de fundicin y su sencilla frmula relacionada con dicho perfil. Eaton Hodgkinson mostr, mediante ensayos de carga directa, que la fundicin era aproximadamente seis veces ms resistente en compresin que en traccin y proporcion su viga en consecuencia. Su sencilla frmula (figura 2) se ha repetido en los manuales de ingeniera hasta bien entrado este siglo. Todo se derivaba de ensayos de flexin y equivaldra a decir:

Figura 2 Frmula de Eaton Hodgkinson para la resistencia de vigas de hierro fundido de su perfil ideal

como si estuvieran sujetos a algo parecido a un pandeo inverso que incrementaba su resistencia con la longitud. Lo triste acerca de la tensin segura de trabajo de Tredgold, aparte de su curioso error en cuanto a la traccin directa que tuvo slo un efecto limitado, es que si se hubiera aplicado al hierro forjado habra sido casi todo universalmente correcto. Asimismo, habra estado muy por delante de cualquier otra gua prctica de la poca, al menos en Gran Bretaa. El pensamiento que sustentaba algunos de los mtodos de Tredgold no siempre resulta fcil de entender hoy en da y es dudoso que muchos de sus lectores contemporneos consiguieran, o incluso intentaran, seguirlo en detalle. Es incluso ms

Momento de resistencia a la rotura = N.D.A.t donde t es la resistencia a la rotura por traccin de la fundicin. Si hacemos N = 0,9, por ejemplo, el valor de t derivado de su frmula sera entre 6,7 y 7,2 tonf/in2, lo cual constituye una aproximacin muy plausible. El punto importante es que ni siquiera Eaton Hodgkinson pensaba en trminos de tensin, sino en ensayos relacionados con una constante en un conjunto de condiciones de uso prctico en la misma forma. Eaton Hodgkinson realiz tambin ensayos exhaustivos en columnas de fundicin y public los resultados con recomendaciones prcticas en 1840. Estas recomendaciones formaron la base para otras durante muchas dcadas.

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CONOCIMIENTO DEL HIERRO...

5. CONOCIMIENTO DEL HIERRO FORJADO A PRINCIPIOS DEL SIGLO XIX
en el Palacio de Invierno de San Petersburgo, que no tuvieron mayor influencia, la viga de hierro forjado data de mediados de la dcada de 1840, cuando tanto en Gran Bretaa como en Francia se producan pequeas vigas en I laminadas. Sin embargo, el avance realmente importante vino de las investigaciones y ensayos realizados para los puentes tubulares Britannia y Conway. Estos trabajos supusieron un logro de la mayor importancia que, ms que ningn otro acontecimiento, establecieron la tcnica de realizar perfiles estructurales de todos los tamaos, a partir de angulares y chapas laminadas, mediante remachado. El hierro forjado se convirti en el principal material estructural durante casi 50 aos. Asimismo, marc el punto culminante de una era de ensayos de componentes y cargas de prueba, anunciando su final.

Hasta mediados del siglo XIX, el hierro forjado se utilizaba casi exclusivamente a traccin en aplicaciones tales como cadenas, correas, tirantes y chapas de calderas. La resistencia a la traccin del hierro forjado se conoca bien en toda Europa desde principios del siglo XIX, siendo su valor mnimo de aproximadamente 400 N/mm 2. As, incluso teniendo en cuenta amplias variaciones, poda confiarse en que su resistencia a la traccin sera de aproximadamente tres o cuatro veces la de la fundicin y con una ductilidad incomparablemente mayor. Era el comportamiento a flexin del hierro forjado lo que escapaba de la comprensin de los ingenieros hasta mediados del siglo XIX. Estaban, naturalmente, las unidades mnimas hierro forjado francesas asociadas con Ango y St. Fart, pero dichas unidades eran en realidad arcos atirantados. Descontando las aparentemente empricas vigas de hierro de 1839 (figura 3) utilizadas

Figura 3 Viga tubular de hierro forjado para el Palacio de Invierno de San Petersburgo de 1839

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6.

LOS AOS DE LOS ENSAYOS 1820-1850

Al margen de lo que se hubiera escrito sobre la resistencia de los materiales, en aquel periodo los ingenieros tenan tendencia a sentirse ms cmodos con los ensayos que con la teora cuando se enfrentaban a condiciones nuevas o inciertas. La carga de prueba se aplicaba ampliamente a las vigas de fundicin y en muchos casos se sometan a ensayo todas las vigas individualmente. Los archivos de importantes edificios indican que el mdulo de rotura en ensayo a menudo se aproximaba a la cifra alta de Tredgold de 106

N/mm2. Por imprudente que pudiera haber sido esa cifra si las vigas pasaban con una carga puntual centrada, con las cargas distribuidas habituales deberan haber tenido un coeficiente de seguridad de 2 contra la carga de prueba. No slo se sometan a ensayo componentes de tamao real como vigas y pilares, sino tambin, a fin de establecer sus propiedades, perfiles pequeos de diferentes materiales. Adems, el desarrollo de nuevas formas dependa casi por completo de los ensayos. En efecto, los tubos para los puentes de Menai y Conway se calcularon mediante experimentacin (figura 4). Partiendo del concepto de que el hierro forjado era simplemente una forma frgil de fundicin, los clculos iniciales se basaban en la frmula de Eaton Hodgkinson para las vigas de fundicin. Entonces los ensayos mostraron que, al contrario que la fundicin, el hierro forjado era aparentemente ms dbil a compresin que a traccin. Otros ensayos probaron que esto no era una propiedad del material, sino que se deba al pandeo de la chapa, un fenmeno no presente en las vigas de fundicin debido a su perfil pesado. Otros ensayos probaron que para las vigas tubulares, una forma rectangular era ms eficaz estructuralmente que una forma circular o elptica, siempre que su parte superior y sus lados fueran lo bastante rgidos. Los tubos se diseaban continuos sobre apoyos intermedios, incluso para su propio peso (figura 5), pero no est claro si el libro de anlisis de continuidad de Edwin Clark de 1850 se utiliz en el pro-

Figura 4 Ensayos en hierro forjado tubular remachado (mediados de 1840)

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LOS AOS DE LOS ENSAYOS 1820-1850

sera prudente especular sobre la cantidad de hierro que se podra haber ahorrado si los lados de los tubos hubieran sido abiertos y triangulares. Tales cerchas no hubieran podido analizarse entonces, pero tampoco lo pudieron ser, cuando empez el trabajo, la caja de hierro forjado remachado o las vigas en I. No hay espacio aqu para estudiar todos los avances del conocimiento que se acumularon a partir del programa de desarrollo de dos aos para esta estructura aparentemente imposible, ni Figura 5 Mtodo de construccin en continuidad, incluso para carga muerta, en el Puente Britannia para intentar desembrollar las disputadas contribuciones de Stephenson, Fairbairn e Eaton yecto o retrospectivamente. Tambin en este caso, Hodgkinson. Cuanto ms se observa este enorla estandarizacin y el ensayo desempearon prome logro, ms claro queda que fueron los ensabablemente un importante papel en la toma de yos lo primero, y estos indicaron el cmo, miendecisiones. Independientemente de cmo se haya tras que la teora fue lo siguiente y lo que explic podido desarrollar el pensamiento, se lleg a la el por qu. A lo largo de todo el siglo XIX, los forma aparentemente perfecta de un tubo continuo ingenieros britnicos tenan pnico a las matecon una parte superior celular y alas inferiores, rigimticas. dizadores de alma en los lados y trenes pasando por en medio. En esta etapa, las formas de rigidiResulta notable que en este mismo libro, zacin de alma y ala parecen haber sido obtenidas de forma emprica. La forma tubular del elemento con el anlisis de continuidad, Edwin Clark se siente todava obligado a decir, de la deformacomprimido evolucion gradualmente hasta la sencin transversal: cilla viga en I actual. En la figura 6 se muestran algunas de las etapas de esta transicin. Quiz no La teora completa de una viga, en el estado actual de la ciencia mecnica, presenta dificultades. La cantidad comparativa de deformacin en el centro de la viga, o en cualquier otro perfil, donde la deformacin es mayor, se determina fcilmente; pero la naturaleza exacta de la resistencia de cualquier material casi no admite investigacin matemtica. Por la magnitud del logro, podemos estar sobreestimando el conocimiento de sus responsables. Ciertamente, la disputa sobre el puente de Torksey en 1850 demostr que la continuidad no era ampliamente entendida.

Figura 6 Evolucin a viga remachada de hierro, en doble T, fundido desde una forma tubular

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7.

TERMINOLOGA: DEFORMACIN, TENSIN, COHESIN, ETC.

En este punto puede resultar apropiado detenerse brevemente en la terminologa. En la primera mitad del siglo XIX, la palabra tensin virtualmente no exista en ingeniera. Lo que en la actualidad se denomina tensin se llamaba entonces deformacin o, a veces, en el caso de la traccin, cohesin, pero deformacin parece tambin haberse utilizado para denotar una fuerza (por ejemplo una deformacin de 10 toneladas). Exista alguna incertidumbre en el uso de estos trminos. La relacin que realmente significaba algo era la relacin proporcional entre el tamao de una barra y la carga. Si, en palabras de Tredgold, la deformacin en libras por pulgada

cuadrada que cualquier material poda soportar era , cuatro pulgadas cuadradas soportaran 4. Esto estaba bien para la traccin y compresin directas, pero con la flexin, las explicaciones quedan menos claras. Segn Timoshenko, el concepto de tensin en un plano infinitesimal se deba a Augustin Cauchy y se public en 1822. Cauchy desarroll tambin el valioso concepto de tensin principal pero, de nuevo segn Timoshenko, fue St Venant quien defini por primera vez la tensin en su forma final en 1845. Tanto Todhunter como Pearson, Timoshenko y otros, consideran a W.J.M Rankine el primero en aportar definiciones rigurosas de tensin, deformacin, tensin de trabajo, resistencia de prueba, coeficiente de seguridad y otras frases que hoy son comunes en ingeniera.

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EL DISEO ESTRUCTURAL ENTRE 1850 Y 1900

8. EL DISEO ESTRUCTURAL ENTRE 1850 Y 1900
zas en las cerchas. Varios investigadores contribuyeron al conocimiento de las fuerzas en cerchas complejas pero determinadas. En diferentes pases se publicaban libros de texto prcticos y se traducan a otras lenguas, y todos explicaban a grandes rasgos la misma historia. El Manual de Ingeniera Civil de Rankine (1859) fue muy ledo y se reimprimi con frecuencia. Puentes y Cubiertas de Hierro Forjado, de W.C. Unwin (1869), mostraba cmo la esttica grfica dominaba el anlisis de cerchas (figura 7). Unwin y otros mostraron tambin cmo formar alas y platabandas para adaptar las vigas a los momentos flectores (figura 8). Otro libro de texto prctico interesante es el escrito por el Profesor August Ritter de la Politcnica de Aix La Chapelle y publicado en 1862. En este libro se facilitan anlisis completos de algunas notables estructuras britnicas de hierro forjado y se tradujo al ingls en 1878. Muchos de los mtodos de los aos 1850 y 1860, aunque perfectamente practicables, demostraron ser tediosos hasta que R.H. Bow introdujo su famosa notacin en 1873. ste fue exactamente la clase de mtodo grfico sistemtico e infalible que atraa a los ingenieros. Ha mantenido su popularidad durante muchas generaciones y hasta hace poco no ha quedado desfasado por la velocidad del ordenador. A pesar de la creciente confianza, los ensayos de carga tardaron en desaparecer. En torno a 1850-60 se seguan utilizando los ensayos a gran escala aunque, posiblemente, tanto para satisfacer a clientes como para asegurarse los proyectistas. A finales de la dcada de 1840, tres de las cerchas semicirculares de 47 metros de luz para la primera estacin de Lime Street de Liverpool fueron montadas como una unidad en las obras de Turner en Dubln y se sometieron primero a ensayo de carga uniforme de casi 2kN/m2 y, seguidamente, de carga excntri-

Aunque existe el riesgo de sobreestimar en la actualidad a los proyectistas del puente Menai, existe el riesgo an mayor de suponer que sus nuevos conocimientos fueron inmediatamente absorbidos por todos los dems ingenieros. No lo fueron, pero hubo un cambio muy notable de actitud, principalmente entre 1850 y 1870. se fue el periodo en el que los ingenieros normales aprendieron a calcular la eficacia de las formas estructurales ms sencillas, las vigas en particular, y a creer en sus clculos (incluso para estructuras importantes) sin recurrir a ensayos. 1850-1870 fue asimismo el periodo en el que se hizo posible analizar con certeza las fuer-

Figura 7 Representacin grfica de fuerzas en celosas (W.C. Unwin 1869)

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luz rcord terminada en 1854) fueron incluso ms elaboradas, tal como se muestra en la figura 9. Aparte de someter a ensayo el comportamiento de una seccin completa de la cubierta, cada tirante se someta a 139 N/mm2 antes de montarlo. Despus de 1860, la confianza en el hierro forjado haba aumentado lo suficiente para obviar los ensayos de incluso estructuras importantes, aunque continuaban los ensayos en puentes. En el contrato para la Estacin de St. Pancras (terminada en 1868) se estipulaba la realizacin de ensayos, pero nunca se llevaron a cabo. La cubierta del Albert Hall (1867-71) se mont en la fbrica de Fairbairn en Manchester para asegurar el ajuste del conjunto, pero no se

Figura 8 Representacin en diagrama de la disposicin de platabandas y cubrejuntas de una viga en doble T para adecuarse al momento flector (W.C. Unwin 1869)

ca. Esas cerchas tienen una luz rcord y era comprensible la necesidad de asegurarse. Las pruebas de las cerchas de 65 m para la Estacin de New Street de Birmingham (otra

Figura 9 Ensayo de carga a escala real de celosas en vano de cubierta de 65 metros para la estacin New Street, Birmingham (principios de 1850)

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EL DISEO ESTRUCTURAL ENTRE 1850 Y 1900

someti a ensayos de carga. stos son slo ejemplos. Se podran citar otros para ilustrar el paso de la intuicin y la verificacin fsica al clculo confiado de las dimensiones. Una de las razones de este cambio fue, lgicamente, el hecho de que el hierro forjado desplazara a la fundicin. El hierro forjado se consideraba entonces un material fiable y, con remaches de resistencia definible, poda constituir estructuras prcticamente sin lmite de escala a pesar de las restricciones en las dimensiones de la chapa y los angulares que podan laminarse. Adems, y lo ms importante de todo, para 1850 o antes, se haba convertido en un material calculable, no slo para tirantes y piezas comprimidas, sino tambin para vigas. Aunque se trataba principalmente del triunvirato de Stephenson, Fairbairn y Hodgkinson, que establecieron la viga de hierro forjado remachado, fueron los elasticistas de mediados de siglo como Rankine los que tradujeron este conocimiento a recomendaciones prcticas y mostraron a los ingenieros cmo calcular con l. Con un mayor conocimiento del comportamiento estructural, y a partir de sensaciones intuitivas, en aquel momento se pas a considerar que la resistencia y la rigidez podan incrementarse por simplificacin de las formas, de manera que su clculo preciso resultara ms fcil y, por lo tanto, se pudieran obtener dimensiones ms econmicas. La realidad del comportamiento conocido del hierro forjado se limitaba al abanico de tensiones dentro del cual se movan los tericos. Con una tensin de trabajo que por lo general no sobrepasaba 77 N/mm2 (la cifra del Board of Trade en Gran Bretaa) no hay duda de que el hierro forjado se comportaba elsticamente y de que la teora de la elasticidad, que se convirti en la estrella de los ingenieros en la segunda mitad del siglo XIX, era totalmente relevante. La ley de Hooke se mantuvo. El mdulo de Young era una constante. No haba ninguna necesidad de pensar en coeficientes de seguridad. Haba tensiones de trabajo para controlar el clculo, incluso si se las segua llamando deformacin, y haba razones suficientes para sentirse confiado. La tensin, tal como la entendemos, no slo haba nacido sino que era el factor de control de casi todo el proyecto estructural, al menos en hierro, y el predominio de ste aumentaba all donde se requera un alto nivel de prestaciones. La teora elstica, el anlisis grfico y la resistencia definida de los remaches eran todo lo que un proyectista necesitaba para sentirse plenamente confiado. En torno a 1850, Gran Bretaa tena esa confianza y segua liderando el campo de la construccin en hierro aunque, paralelamente, se haca mucho en el resto del mundo, particularmente en Francia, Alemania y EEUU. A medida que el siglo avanzaba, la iniciativa se desplaz fuera de Gran Bretaa, pasando a ingenieros como Moisant (fbrica de Chocolates Menier) y Eiffel y sus colegas. La transicin comercial del hierro forjado al acero, aproximadamente entre 1880 y 1900 , permiti unas mayores tensiones de trabajo (generalmente 93 N/mm2 en lugar de 77 N/mm2) y el uso de perfiles laminados de mayor tamao. Inicialmente, no tuvo prcticamente efectos en el diseo y en los detalles. Los pilares de fundicin siguieron utilizndose hasta aproximadamente 1890-1900 pero fueron desplazados primero por el hierro forjado pero, principalmente, por el acero. Paralelamente se desarrollaron otros trabajos tericos sobre el pandeo, con frmulas ms avanzadas para las cargas admisibles. Parece que, entre los ingenieros, la cuestin del pandeo de las barras y chapas comprimidas y sigui siendo el aspecto menos conocido del diseo estructural durante el siglo XIX. La intencin de esta leccin no es esquematizar el desarrollo del conocimiento terico, sino ms bien mostrar cmo dicho conocimiento se relacion con el ingeniero en la oficina de proyectos. Para seguir con ms detalle el conocimiento de la flexin, el cizallamiento y la inestabilidad, deben consultarse los trabajos relacionados en la Bibliografa Adicional.

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9.

ANOTACIN SOBRE EL SIGLO XX

En la primera parte de este siglo, los mayores avances, tanto en conocimiento terico de las estructuras como en la prctica, vinieron asociados a la industria naval y aeronutica. En lo referente a puentes, edificios y otras estructuras pesadas, los cambios se asociaron directa o indirectamente, con la soldadura. La introduccin general de la soldadura en los aos 30 (con Gran Bretaa a la zaga de otros pases europeos y EEUU) alter radicalmente las tcnicas de trabajo de taller e introdujo la posibilidad de uniones tan rgidas como las barras que unan. Este desarrollo, a su vez, tuvo sus efectos en el diseo, especialmente en la estructura de prticos para los edificios y en la estabilidad mediante uniones rgidas en lugar de arriostramiento.

El gran cambio en el clculo se produjo con la plasticidad al final de los aos 30, aunque la consideracin de la carga mxima de rotura con el concepto de rtula plstica tard algn tiempo en sustituir a la teora elstica. De hecho, todava no la ha sustituido por completo. Las tensiones admisibles siguen dominando despus de un reinado de casi 150 aos, pero su uso est en declive. En el futuro, es probable que los ingenieros puedan obtener una mayor eficacia considerando el comportamiento de la estructura en su conjunto, incluidos los efectos de los cerramientos y las paredes divisorias, especialmente para la rigidez. Este enfoque slo resulta practicable con ordenadores, pero ofrece posibilidades atractivas para los aos venideros. El inconveniente puede ser una reduccin de la adaptabilidad. Asimismo, el conocimiento de los proyectistas debe mantenerse en lnea con la creciente sofisticacin de las ayudas al diseo que estn a su disposicin.

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RESUMEN FINAL
10. RESUMEN FINAL
dual, los ingenieros aprendieron a calcular formas estructurales simples sobre la base del supuesto comportamiento elstico y a creer en los clculos sin ensayos. En el siglo XX, los mayores avances en el conocimiento terico de las estructuras se asociaron a la industria naval y aeronutica. La introduccin de la soldadura en los aos 30 y el desarrollo de la teora de la plasticidad trajeron cambios importantes en los proyectos. Para el futuro, el mayor uso de los ordenadores ofrece la posibilidad de obtener mayor eficacia en las estructuras, considerando el comportamiento de la estructura en su conjunto, incluidos los efectos de los cerramientos y las paredes divisorias.

Hasta finales del siglo XVIII, las estructuras se diseaban esencialmente basndose en la proporcin. La intuicin dio paso al clculo para todos los materiales y la teora se impuso de forma creciente en el siglo XIX. Gran parte de la prctica actual en el clculo con acero deriva originalmente de la madera en el siglo XIX. En aquel tiempo el conocimiento de la fundicin y el hierro forjado aument mucho sobre la base de los ensayos de componentes y las cargas de prueba. A mediados del siglo XIX aparecieron definiciones rigurosas de tensin, deformacin, tensin de trabajo, carga de prueba y coeficiente de seguridad y, de forma gra-

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11.
I

BIBLIOGRAFA ADICIONAL

Aqullos que deseen profundizar en la forma en que la teora estructural, tal como la conocemos hoy, emergi a finales del siglo XVIII y principios del XIX, pueden remitirse directamente a los autores clsicos: Coulomb, Bernouli, Euler, Navier y otros. Para tener una visin ms general de la teora estructural y de cmo se desarroll, se recomiendan los libros siguientes: 1. Timoshenko S P History of the Strength of . Materials, McGraw-Hill, New York, 1953. 2. Todhunter I & Pearson K. A History of the Theory of Elasticity and of the Strength of Materials from Galileo to the Present Time, Cambridge University Press; 3 volmenes 1886-93. 3. Charlton T M. A History of the Theory of Structures in the Nineteenth Century, Cambridge University Press 1982. 4. Mazzolani F. Theory and Design of Steel Structures Chapman & Hall, London. 5. Heyman J. Coulombs Memoir on Statics: an essay in the history of civil engineering, Cambridge University Press 1972.

El principal trabajo britnico sobre el uso estructural de la madera, publicado por primera vez en 1820 y reimpreso hasta los aos 40 del presente siglo. Contiene algunos detalles sobre el uso del hierro con la madera, en particular para el alargamiento y refuerzo de vigas de madera. 2. Tredgold T.Tredgold T. Practical essay on the strength of cast iron and other metals, London: Taylor 1822. Tambin algunas ediciones posteriores. 3. Barlow P. A Treatise of the Strength of Timber, Cast Iron, Malleable Iron & Other Materials, London: J Weale, 1837. La edicin de 1837 y las posteriores se revisaron exhaustivamente y se ampliaron para tener en cuenta los desarrollos de la ciencia de la resistencia de materiales en la era del ferrocarril. 4. Unwin W C. Wrought Iron Bridges & Roofs, 1869. Originalmente, conferencias para el Royal Engineer Establishment, Chatham. 5. Rankine W J M. A Manual of Civil Engineering, London 1859, y ediciones posteriores. Los manuales de Rankine marcan el punto de inflexin, en Gran Bretaa, de la ingeniera como ciencia fundada en la teora frente a un arte fundado en la experiencia prctica y la observacin. Resumen y amplan textos tericos anteriores, especialmente sobre la teora de las estructuras y la resistencia de materiales, y siguieron siendo trabajos de referencia a lo largo del siglo XIX. 6. Warren W H. Engineering Construction in Iron, Steel & Timber, Longmans, London 1894.

II

Para obtener una orientacin sobre la prctica con el hierro y, posteriormente, con el acero, se publicaron numerosas guas y libros de texto, especialmente despus de 1850. Tomados como una secuencia, los siguientes libros dan alguna idea de cmo se desarrollaron aquellas recomendaciones: 1. Tredgold T. Elementary Principles of Carpentry, London: Taylor 1820.

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.4.3: Historia del Hierro y el Acero en Edificios

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Repasar la evolucin en la construccin de edificios en acero, demostrar cmo las mejoras en el material y en el conocimiento han permitido mayores logros en trminos de altura, luces libres eficiencia de los edificios. Leccin 2.4.2: Leccin 2.4.4: Historia del Diseo en Acero Historia del Hierro y el Acero en Puentes

RESUMEN El hierro se utiliz originalmente para los componentes principales de las estructuras de edificios con el fin de obtener una construccin resistente al incendio. Las formas iniciales seguan patrones tradicionales pero, gradualmente, las caractersticas del hierro, y, posteriormente, las del acero, se aprovecharon ms. Se consideran varias categoras de edificios: industriales, cubiertas de gran luz y edificios de varias plantas. Se destacan las innovaciones tcnicas y los mtodos de proyecto significativos.

CONOCIMIENTOS PREVIOS Ninguno.

LECCIONES AFINES Leccin 2.4.1: Historia del Hierro y el Acero en Estructuras

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1.

INTRODUCCIN

Aunque la historia del hierro y el acero se remonta varios cientos de aos atrs, su utilizacin en los principales componentes de estructuras de edificios es relativamente reciente. La

Revolucin Industrial trajo consigo tanto los medios como la necesidad. La fundicin con coque y la mquina de vapor permitieron incrementar considerablemente la produccin de hierro y fue en los edificios industriales donde ms se extendi el uso estructural de este material

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para sustituir a la madera. Inevitablemente, la adopcin de un nuevo material es espasmdica y a veces puede incluso ser poco elegante. El hierro forjado, por ejemplo, nunca sustituy completamente a la fundicin, si no que lo hizo de la misma forma en que la fundicin sustituy a la madera. Toda evolucin histrica incluye discontinuidades: no es un desarrollo secuencial uniforme. Para simplificar, esta evolucin histrica se divide segn tipos de edificios: fbricas y edificios industriales, cubiertas de gran luz como conservatorios, estaciones de ferrocarril y salas de exposicin, y estructuras de varias plantas. Para cada tipo, se estudia el desarrollo de nuevas formas de diseo que aprovechan las mejoras de las caractersticas de los materiales.

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PRIMEROS USOS ESTRUCTURALES...

2. PRIMEROS USOS ESTRUCTURALES DEL HIERRO EN EDIFICIOS

El acero, y antes de l el hierro, se han utilizado en la construccin de edificios durante mucho tiempo. Sus primeros usos fueron, principalmente, como componentes secundarios (uniones, tornapuntas y correas) en combinacin con la madera como material estructural principal. Ya en el siglo VI, se incorporaron los

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tirantes de hierro en las arcadas principales de Santa Sofa en Estambul. A menudo, las bases de las cpulas se reforzaban con tirantes, como en el prtico del Panten de Pars (1770-72) de Jacques Germain Soufflot. Sin embargo, la primera aplicacin destacable del material fue el uso decorativo del hierro forjado, por ejemplo, en rejas, puertas y balaustradas. Ejemplo notable de ello son las White Gates de Leeswood en Clwyd, Gales (1726) (diapositiva 8). Thomas Rickman combin la utilidad estructural de los pilares de fundicin con un orna-

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mento delicado en los frontales de la galera y techos de la nave y corredores de la Iglesia St George, Everton, Reino Unido (1812-14) (diapositiva 9). En Francia, el arquitecto Henri Labrouste proyect dos bibliotecas notables. La biblioteca Sainte Genevive (1843-50) (diapositiva 10) utiliza fundicin para los pilares y arcos para soportar la cubierta y el suelo, mientras que en la Bibliothque Nationale (1858-68) (diapositiva 11), se hace el mismo uso decorativo de la fundicin, pero esta vez en combinacin con hierro forjado. Estos y algunos otros ejemplos tempranos de edificios pblicos que utilizaron hierro exhiban la estructura en el interior pero no mostraban signo alguno de ella al exterior. La Coal Exchange de J.B. Bunning en la ciudad de Londres (1849) incorporaba un atrio de galera con estructura de hierro detrs de dos bloques de oficinas, mientras que la biblioteca Sainte Genevive tena una fachada de piedra de inspiracin renacentista. Dean y Woodward utilizaron extensamente hierro y vidrio para su Oxford Museum (1860) (diapositiva 12), creando un expresivo interior.
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EDIFICIOS INDUSTRIALES Y FBRICAS

3. EDIFICIOS INDUSTRIALES Y FBRICAS
mer ejemplo de tal estructura de edificio fue la Flax Mill de Charles Bage en Shrewsbury, construida en 1796 (diapositiva 13). La albailera externa es portante, pero internamente los pilares esbeltos de fundicin soportan vigas de celosa de fundicin cerradas dentro de forjados de arcos cermicos. El edificio sigue en pie todava hoy, habindose utilizado recientemente como maltera. Las vigas se formaron con dos secciones, unidas por tornillos, con una base trapezoidal pensada para soportar arcos cermicos. Su perfil, que quedaba oculto por la albailera, se eleva a medio-vano. La combinacin de una pared externa portante de albailera y una estructura interna de hierro se convirti en una forma comn en Gran Bretaa, en particular para los edificios industriales, como los edificios Albert Dock de Liverpool (diapositiva 14). Estos edificios se construyeron en 1845 y han sido restaurados recientemente para acomodar oficinas y viviendas. Este periodo de la concepcin estructural en que se utilizaba el hierro se caracterizaba ms por la evolucin de la forma que por la adopcin de nuevos sistemas revolucionarios. Las secciones transversales de las vigas evolucionaron primero al perfil en T invertida (el ala inferior

La introduccin de componentes de hierro como elementos estructurales principales es un proceso relativamente reciente, inspirado por el deseo de obtener una construccin resistente al fuego. La construccin anterior con estructura de madera era siempre vulnerable al fuego, en particular las fbricas textiles donde se procesaban fibras de algodn en una atmsfera grasa iluminada por velas. A finales del siglo XVIII el hierro empezaba a sustituir a la madera en la estructura principal. Inicialmente, esto ocurra slo en los pilares, siendo los primeros ejemplos de ello una fbrica de algodn en Derby, Reino Unido, y un almacn en Milford, Reino Unido (1792-93). El proyectista William Strutt utiliz bovedillas de cermica en lugar del suelo tradicional de madera. Las bovedillas partan de vigas de madera chapadas de hierro con un intrads enyesado para aumentar la resistencia al incendio. Las vigas se apoyaban externamente en los muros de albailera e internamente en pilares de fundicin. La siguiente progresin lgica era utilizar hierro en lugar de madera para las vigas. El pri-

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que podan tambin acomodar calefaccin por vapor o desages de agua de lluvia. En 1856, se levantaron en Jamaica Street, Glasgow, los almacenes Gardener (diapositiva 15), unos elegantes almacenes de muebles. Este edificio utilizaba un sistema de estructura de fundicin patentado por un fundidor local, Robert McConnel, para la fachada, pero el sistema de forjados se basaba en una estructura de madera. El sistema estructural permiti una rica expresin del ventanal y era similar en esencia al que se utiliz primero en St Louis, EEUU. El primer edificio con una verdadera estructura rgida de hierro, sin ninguna utilizacin estructural de albailera portante, fue el Boat House de Greene realizado en 1858 (diapositiva 16) en los astilleros de Sheerness, Reino Unido. Este edificio era de cuatro plantas, con estructura de tres naves de 64 m por 41 m por 16 m de

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soportaba el arco) y posteriormente al perfil en I. Las secciones de los pilares tambin se alteraron. Las secciones cruciformes quedaron desplazadas por las secciones circulares huecas

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EDIFICIOS INDUSTRIALES Y FBRICAS

alto. Las vigas principales son de hierro forjado remachado, con una luz de 9 m. Las vigas secundarias son de fundicin, con una luz de 4 m. Los soportes de las esquinas son tubos de fundicin y se utilizan como bajantes de aguas, mientras que el resto son de perfil en H. La estructura no slo soportaba la totalidad de las cargas verticales, sino que adems proporcionaba la estabilidad lateral.

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En Francia, el primer edificio totalmente entramado fue la fbrica de Chocolates Menier (diapositiva 17) en Noisiel-sur-Marne, finalizada en 1872. La caracterstica ms distintiva de este edificio, construido sobre el ro Marne que pro-

porcionaba la energa a su maquinaria, es el arriostramiento en cruz de S.Andrs tan elegantemente expresado en el exterior (diapositiva 18). Este arriostramiento proporciona la rigidez lateral necesaria a la estructura esbelta de hierro forjado, y los muros con relleno decorativo de ladrillo no tenan ninguna funcin estructural.

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En Alemania, Bruno Taut utiliz un prtico metlico octogonal para soportar una esfera de color dorado en su proyecto de pabelln de la Feria de Leipzig (1913) y Peter Behrens dise un arco de acero de tres rtulas para la sala de turbinas de AEG en Berln (1909) (diapositiva 19). La introduccin de sistemas de arriostramiento liber a la estructura de su dependencia de los muros de albailera para la estabilidad y empezaron a utilizarse otros materiales. La chapa ondulada, ancestro de la chapa de acero perfilada de hoy (diapositiva 20) se patent en 1829. La conformacin del hierro en chapas finas con ondulaciones para darle rigidez fue idea de Henry Robinson Palmer, que trabaj para la London Dock Harbour Company. Las chapas onduladas eran fabricadas por Richard Walker y se utilizaban en edificios de depsitos y en almacenes en los muelles. La combinacin de prtico metlico y cerramiento ligero ha seguido siendo una solucin popular para los edificios industriales. Muchas de las formas estructurales se han desarrollado para crear vanos de cubiertas mayores y, aqu, el desarrollo histrico se fusiona con el de otros tipos de edificios.

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CUBIERTAS DE GRAN LUZ

4. CUBIERTAS DE GRAN LUZ

Los desarrollos en la construccin de puentes de hierro fueron paralelos a los de las formas de cubiertas de gran luz. En 1786, Victor Louis dise una cubierta de arco con tirante utilizando hierro forjado con una luz de 21 m sobre el Theatre Francais. Introdujo muchas caractersticas sofisticadas como la conformacin de elementos trabajados en taller para dar mayor resistencia a la flexin y al pandeo y obtener una forma que era elegante y audaz: cualidades que caracterizaron a las estructuras de hierro francesas durante ms de un siglo desde entonces. Muchas de las primeras estructuras de hierro de luz libre tomaron prestadas ideas y principios de la construccin contempornea de albailera y madera, como el arco de piedra, en el que se basaron muchos puentes de fundicin. A menudo, estructuras de hierro de forma similar sustituan a estructuras de madera destruidas por el incendio. Ejemplos de ello son la cpula del Granary de Pars (destruida por el fuego en 1802 y sustituida en 1811) y la cubierta de la Catedral de Chartres (1836) (diapositiva 21). Aqu, Emile Martin utiliz fundicin para los prticos curvos de la cubierta en arco, pero los tirantes en el arranque eran de hierro forjado. La cubierta tiene una luz de 14,2 m con una altura libre de ms de 10 m desde la bveda hasta el vrtice.

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En la primera mitad del siglo XIX se construyeron numerosas estructuras innovadoras de hierro en Francia, donde el conocimiento tcnico, pedaggico y cientfico era el ms avanzado. El hierro forjado se utiliz para otras estructuras de cubiertas de gran luz en Francia, como La Bourse (1823) (diapositiva 22). Es interesante sealar que, en Gran Bretaa, la fundicin segua siendo el material preferido para los edificios construidos durante el mismo periodo, por ejemplo, los forjados del Palacio de Buckingham y los forjados y cubierta del British Museum.

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Tanto en Gran Bretaa como en Francia, el hierro y el vidrio se combinaban en la construccin de numerosos invernaderos y conservatorios, ya que las barras esbeltas para lucernarios hacan del hierro un material ideal. Ejemplos tempranos de ello son un invernadero de palmeras en Bicton, Devon (1816) (diapositiva 23) en el que se utiliza un sistema de barras de hierro forjado para lucernarios ideado por Loudon. Este sistema estableci una pauta para la construccin de invernaderos y un ejemplo posterior es la Palm House de Turner y Burton en Kew (1847) (diapositiva 24), que utiliza estructura metlica curvada. Ambos ejemplos han sido restaurados recientemente. El ltimo tiene 110 m de largo, con una luz libre mxima de 15,2 m y una elevacin de 19 m en su centro. La estructura de los nervios principales es de vigas curvas de hierro forjado, como las utilizadas en la construccin de las cubiertas de los buques. Las correas, tambin de hierro forjado, estn formadas por barra tensada que pasa por el interior de un tubo entre los nervios. La decisin de sustituir la fundicin por hierro forjado redujo substancialmente el peso de la estructura y permiti una mayor penetracin de luz en el edificio, una consideracin muy importante en la construccin de invernaderos. Se utilizaron formas similares para construir cubiertas de luz muy grande sobre estacio-

nes de ferrocarril. Se cree que la cubierta de la estacin de Euston (1835-39), formada por dos tramos de 13 m apoyados en pilares esbeltos de fundicin, es el primer ejemplo de construccin de cercha de cubierta toda de hierro. El proyectista, Charles Fox, trabajando a las rdenes de Robert Stephenson, utiliz perfiles laminados en T de hierro para los cabios y los elementos a compresin y barra laminada para los elementos a traccin. Las uniones se realizaron forjando y perforando los extremos de las barras para atornillarlas, utilizando chavetas para su ajuste. Sin

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embargo, un accidente en esta estacin, en el que un tren descarrilado demoli un pilar interno causando el colapso parcial de la cubierta, hizo ver la necesidad de vanos de luz libre. Ejemplos notables de ello son Liverpool Lime Street de Turner, con una luz de 47 m (1849) y St Pancras de Barlow, con una luz de 73m (1868) (diapositiva 25). deslizantes en los apoyos, evitando que los esfuerzos laterales se transmitieran a los apoyos y, por ende, evitando el arqueo. La construccin de la cubierta se termin en 10 meses. Por el contrario, en la estacin de St Pancras se utiliz un arco de celosa con los esfuerzos horizontales en el arranque contenidos por tirantes situados debajo del nivel de la plataforma. Es interesante sealar que muchos de los diseos de estas estructuras de cubiertas de gran luz se consideraban tan innovadores que las compaas de ferrocarriles exigan ensayos a escala real para demostrar su integridad. En Francia, Camille Polonceau desarroll un sencillo sistema de cerchas en celosa en el que se utilizaba hierro, a veces combinado con madera. Este sistema se utiliz ampliamente en varios tipos de edificios, incluidas las cubiertas sobre el ferrocarril Pars-Versailles (1837). Estas cerchas tenan elementos principales de madera, barras comprimidas de fundicin y tirantes de hierro forjado.
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En Liverpool Lime Street la estructura tom la forma de cerchas curvadas, uniones

El Crystal Palace de Paxton (1851) (diapositiva 26) fue otra estructura notable construida durante este periodo. Su diseo para la

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tiva 28), se construy a partir de numerosos perfiles y chapas remachados en forma de cercha. Las correas tambin estaban construidas en celosa. La envergadura del detalle era enorme. En EEUU la cercha de hierro gan tambin aceptacin, siendo un ejemplo temprano de ello la Biblioteca del Congreso en el edificio del Capitolio, Washington (1854). Sin embargo, fue la emergencia de las industrias de produccin en masa de los aos 20 y sus plantas de fabricacin altamente desarrolladas las que proporcionaron oportunidades de nuevas formas estructurales, de las que Albert Kahn fue pionero. Las necesidades de flexibilidad en la produccin dictaron edificios industriales de gran luz. La construccin de cerchas de celosa de gran altura se haba utilizado durante algn tiempo en proyectos de puentes y Kahn la adopt en muchos de sus edificios. En las zonas de produccin se proporcionaba luz natural adoptando una forma de cubierta en diente de sierra. Con ello, mejoraba la iluminacin en comparacin con las formas de

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sala de exposiciones fue un edificio rectangular de 564 m de largo por 22 m de ancho y con una altura mxima de 32 m. Estaba formado por una estructura de pilares de fundicin con cerchas de fundicin y hierro forjado unidas mediante elementos de hierro forjado y madera. No obstante, gran parte del mrito de esta estructura corresponde a los contratistas de carpintera metlica Fox Henderson & Co. Fueron los responsables del anlisis estructural, los planos de trabajo y la construccin, aportando su experiencia en puentes, cubiertas de astilleros y edificios prefabricados para permitir la ejecucin del edificio en un plazo de cuatro meses. Otros importantes edificios realizados por ellos son los hangares para trenes en Paddington (1851-54) y Birmingham New Street (1854). En Francia, una de las salas de exposicin ms espectaculares, la Galerie des Machines (diapositiva 27) se construy para la exposicin de Pars de 1889. Fue del arquitecto Dutert, cuya idea fue cubrir la sala de 420 m de largo por 110 m de ancho con un solo vano. En colaboracin con los ingenieros Contamin, Pierron y Charton, desarroll el prtico de acero cerchado de tres rtulas, con una altura de 43 m en su vrtice. Al igual que la torre Eiffel (diaposi-

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CUBIERTAS DE GRAN LUZ

cubierta con luz del norte, pero evitando un calentamiento excesivo. Algunos ejemplos de esta forma de construccin son el taller de prensa de Chrysler en Detroit (1936) y la Planta de Montaje de la Glenn Martin Aircraft Company en Baltimore (1937). Cerchas de 9 m de altura con una luz de ms de 90 m proporcionaban una superficie de planta sin columnas de 150 m por 100 m. La luz de la cubierta en diente de sierra se consegua conectando alternativamente entre los cordones superiores e inferiores de las cerchas. A medida que los vanos aumentaban, la estabilidad lateral de las cerchas se haca ms crtica. Esto se compens utilizando cerchas tridimensionales de seccin rectangular o triangular. La tendencia hacia vanos mayores condujo al desarrollo de la construccin en estructura tridimensional, que permiti aprovechar la capacidad de tales estructuras para soportar luces en dos direcciones. De hecho, el origen de su desarrollo se encuentra en el trabajo de Alexander Graham Bell a principios del siglo XX. No obstante, el primer sistema disponible a nivel comercial, el sistema MERO, no se introdujo hasta la dcada de 1940. Esta forma estructural ha demostrado ser un mtodo popular para cubrir muy eficazmente grandes luces y se han desarrollado otros sistemas comerciales que continan utilizndose en la actualidad.

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5.

ESTRUCTURAS DE EDIFICIOS DE VARIAS PLANTAS

Del mismo modo que el hierro se haca ms popular como material estructural para los edificios industriales y las cubiertas de gran luz, se utilizaba tambin cada vez ms para la construccin de edificios de varias plantas. Fue en Norteamrica y, en particular, Chicago, donde tuvo lugar la mayor parte del desarrollo. Dos influencias importantes fueron la necesidad de construir ms alto para paliar la superpoblacin crnica de las ciudades de la poca, y el terrible incendio de 1871 que devast completamente el barrio comercial de Chicago. Otro elemento vital del desarrollo de las construcciones altas fue la introduccin de los ascensores de pasajeros por Elisha Otis en 1853. Al igual que en el desarrollo de los edificios industriales, los cambios en la forma de construccin tuvieron lugar en varias fases. En la dcada de 1860, los pilares de fundicin y las viguetas de hierro forjado se utilizaban frecuentemente para apoyar suelos de arco cermico, pero la obra portante de fbrica externa segua soportando una gran parte de las cargas verticales y proporcionando estabilidad lateral. El edificio First Leiter de William le Baron Jenney (diapositiva 29), finalizado en Chicago en 1879, es, bsicamente, un hbrido, con vigas secundarias de madera, vigas principales de hierro forjado, pilares de fundicin (internos) y pilas de albailera en el permetro. Antes de su uso generalizado en edificios comerciales, las estructuras altas de hierro empezaron a aparecer hacia finales del siglo XIX. Quiz la ms famosa sea la Torre Eiffel, que sigue siendo uno de los smbolos ms emblemticos de la construccin en hierro. Construida como monumento temporal para coronar la Exposicin de Pars de 1889, con 300 m era la estructura ms alta de su tiempo (aunque se haban propuesto otras torres similares de fundicin ya en 1833). De hecho, el diseo de la torre fue desarrollado en un principio por Koechlin y Nougier, dos ingenieros que trabajaban en la oficina de Eiffel. Un arquitecto, Sauvestre, que tambin trabajaba para Eiffel, efectu modificacio-

nes importantes que incluan unir el primer nivel y los cuatro montantes principales con arcos monumentales. Eiffel, sin embargo, asumi la responsabilidad de su construccin.

Diapositiva 29

Otras estructuras notables de este tipo son la Latting Observatory Tower (1853) y la Estatua de la Libertad (1886), ambos en Nueva York. Hasta aproximadamente 1880, en EEUU, no se tuvo plena conciencia del potencial de las vigas de hierro y acero, y estos materiales se convirtieron en materiales habituales para edificios altos. Las ventajas de una estructura porticada pueden observarse comparando la albailera portante del Monadnock Building, Chicago (1885) con el segundo Monadnock Building finalizado en 1891 con una estructura metlica. Los muros del primer edificio tenan un espesor de 4,5 m en su base. Sin embargo, tan tarde como

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ESTRUCTURAS DE EDIFICIOS...
en 1890, se utiliz albailera portante para el Edifico Pullitzer, Nueva York, con muros de 2,7 m de espesor. encofrado permanente, pero estos sistemas requeran falsos techos. En 1846 se lamin la primera viga de hierro en Francia, con el consiguiente desarrollo en sistemas de forjados, como el Sistema Vaux y el Sistema Thuasne. Estaban formados por vigas de hierro forjado con una distancia entre ejes de aproximadamente 600-900 mm, unidas mediante barras de hierro con un falso techo grueso (70 mm) de yeso cubriendo la parte inferior de la viga. En Gran Bretaa, los forjados de viguetas forradas, formadas por viguetas poco separadas con piezas moldeadas de hormign entre ellas, se hicieron comunes en la primera parte del siglo XX. En muchos aspectos, estos forjados pueden considerarse los precursores de los sistemas de forjados de hormign armado y mixto que se utilizan en la actualidad.

5.1 Construccin de forjados

Se acept que sustituir la madera por hierro o acero no era la respuesta completa para la seguridad contra incendios, ya que las vigas de hierro sin proteger perderan su resistencia a altas temperaturas y los pilares de fundicin podan fallar al enfriarse repentinamente con el agua de las mangueras contra incendios. Era necesario, por tanto, alguna forma de proteccin adicional contra el incendio. Esta necesidad qued claramente demostrada por una estructura de edificio revestida de yeso, que sobrevivi al incendio de Chicago. Los mtodos de construccin de bovedilla utilizados anteriormente para los edificios industriales eran muy inadecuados para resistir al incendio, debido en parte a su peso y en parte porque el ala inferior de la viga de hierro quedara expuesta en caso de incendio. Los suelos cermicos, en los que bloques huecos de ladrillo formaban arcos planos para cubrir el vano entre las alas inferiores de las vigas, solucionaron ambos problemas. Un ejemplo temprano de esta forma de construccin de forjados es el Tribune Building de 7 plantas en Nueva York (1869) que fue tambin uno de los primeros edificios en incorporar un ascensor de pasajeros. Se desarrollaron varios sistemas basados en este principio. Los bloques se disponan para que sobresalieran por debajo del ala inferior de la viga, que se protega contra el incendio proyectando alas de terracota o con listones de recubrimiento de terracota apoyados en pequeas puntas. Los acabados de los forjados eran de baldosas cermicas o de hormign y su peso era de aproximadamente la mitad del de los forjados de arcos de hormign y ladrillo. Esto supona una reduccin significativa del peso propio de la estructura y, por ende, de la carga que deban soportar los muros, pilares y cimientos, lo cual era de particular importancia dadas las malas condiciones del subsuelo de Chicago. Se desarrollaron otros sistemas de forjados en los que se utilizaba metal estirado como

5.2 Vigas y pilares

En un principio, las vigas de hierro de los forjados eran celosas, armadas mediante remachado de pequeos elementos de fundicin o hierro forjado. Estas viguetas eran de canto relativamente grande y, por lo general, su disposicin se planificaba de forma que pudieran incorporarse dentro de los tabiques. Hasta mucho despus no fue posible laminar vigas de ala anchas, lo que permiti una construccin menos gruesa y, por ende, una mayor libertad en la distribucin. Los pilares de fundicin siguieron siendo populares durante algn tiempo. Hasta que no se admiti la necesidad de la resistencia a la flexin en los pilares para soportar las cargas excntricas, no se adoptaron ni el hierro forjado ni, posteriormente, el acero. Al igual que las vigas, en un principio los pilares se formaban remachando varias secciones pequeas para formar una seccin con una resistencia a la flexin similar en ambos ejes.

5.3 Construccin de prticos

El primer paso hacia una forma de construccin totalmente porticada fue la introduccin de pilares dentro o adheridos a los muros exte-

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riores, de modo que la fbrica solamente soportara su propio peso y ninguna de las cargas del forjado. Hasta que el prtico soport no slo las cargas del suelo, sino tambin el muro exterior, la altura de construccin no dej de estar limitada por la capacidad del muro para soportar su propio peso. Esta disposicin resolvi tambin el problema del diferencial de dilatacin trmica entre la fbrica de albailera y el hierro. El edificio de 10 plantas Home Insurance de Jenney, Chicago (1885) se considera el primer edificio totalmente porticado que adopt esta forma de construccin y, por ello, fue el primer rascacielos reticulado. Los pilares de fundicin soportan vigas de hierro forjado en plantas inferiores y vigas de acero Bessemer por encima de la sexta planta. La estructura estaba totalmente protegida contra el incendio mediante albailera y baldosas de arcilla refractaria. Las paredes exteriores eran soportadas por angulares unidos a las vigas de los dinteles de lo huecos de las fachadas, aunque este detalle no sali a la luz hasta la demolicin del edificio en 1931. Otro ejemplo temprano es el Tower Building de 11 plantas de Nueva York, diseado por Bradford Lee Guilbert en 1887 para un solar muy estrecho. Los muros portantes de albailera hubieran sido tan gruesos en su base que no habra quedado espacio til.

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El primer Monadnock Building, aunque construido con albailera portante, utilizaba una combinacin de arriostramiento de prtico y paredes transversales de fbrica. Muchos otros edificios utilizaron una combinacin de mtodos. El Manhattan Building de 16 plantas de Jenney en Chicago (1890) fue el primero con un prtico arriostrado de contraviento. Esta estructura estaba formada por una combinacin de arriostramiento porticado y barras diagonales de hierro forjado tensadas mediante tensores. Este edificio sugiere un comentario interesante sobre los costes relativos de materiales en aquel tiempo. El acero slo se utilizaba para las vigas principales debido a su alto coste; para las vigas secundarias se utilizaba el hierro forjado y para los pilares la fundicin. El Masonic Temple de 22 plantas de Burnham y Root (1892) estaba arriostrado con barras diagonales de hierro forjado situadas en las paredes transversales, mientras que el Colony Building (1894) utilizaba prticos para la estabilidad.

5.4 Estructuras arriostradas para carga de viento

Aunque estos desarrollos condujeron a sistemas de prticos estructurales pensados para soportar toda la carga vertical, incluido el peso propio de las paredes exteriores, la estructura segua dependiendo de las paredes para la estabilidad lateral. El arriostramiento transversal utilizado en el exterior de la fbrica de chocolates en Noisiel-sur-Marne se consider en general inapropiada para edificios comerciales y la rigidez de las uniones utilizadas en el Crystal Palace para dar estabilidad se consider inadecuada para las demandas ms onerosas de los edificios de gran altura.

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ESTRUCTURAS DE EDIFICIOS...
La mayor resistencia del acero en comparacin con el hierro permiti conseguir mayores alturas y luces, pero resultaba relativamente caro, por lo que slo sustituy a la fundicin y el hierro forjado de forma gradual, como se observa en el Manhattan Building. El primer edificio todo de acero fue el 2nd Rand McNally Building de Chicago, construido en 1889-90 y demolido en 1911.
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La eliminacin de la dependencia de la albailera externa para proporcionar estabilidad lateral cre nuevas oportunidades para el tratamiento de la fachada y los arquitectos emplearon varios enfoques. Los suelos de la planta inferior tenan a menudo una forma ligera para acomodar tiendas, mientras que las plantas superiores de oficinas tenan una forma tradicional pesada. El Guaranty Building (1895) y el Stock Exchange Building (1894), ambos de Adler y Sullivan, y el grupo de edificios Gage (1896/8) de Holabird y Roche (diapositiva 30) son tpicos de este enfoque. Una de las expresiones ms sencillas, pero logradas, de prtico estructural de la poca es la tienda Carson Pirie Scott de Sullivan (904) (diapositiva 31). No obstante, eran posibles formas ms aventuradas y los miradores , soportados por prticos en voladizo desde las vigas de los dinteles se convirtieron en una caracterstica frecuente como medio de obtener luz en las plantas superiores. Esta caracterstica quiz se vea mejor en el Reliance Building de 1894 (diapositiva 32), en el que se utiliz un cerramiento cermico sobre el prtico para dar ligereza a la forma. Proyectado por Burnham y Root, constituye un ejemplo notable de edificio esbelto reticulado y acristalado. El prtico metlico por encima de la primera planta se mont en poco ms de dos semanas y el recubrimiento externo se complet en seis meses.

Diapositiva 32

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6.

EVOLUCIN DEL DISEO DE EDIFICIOS CON ESTRUCTURA DE ACERO

vidrio y el hierro con un xito considerable en la Caja Postal de Ahorros, tambin en Viena (1906) (diapositiva 35).

En Europa, con el cambio de siglo, la evolucin tuvo menos que ver con los altos edificios de muchas plantas, pero, particularmente en Francia, se hizo un uso imaginativo de la expresin del nuevo material estructural,. El bloque de oficinas de Chedanne en 124 Rue Reaumur, Pars (1904) (diapositiva 33) es quiz el primer ejemplo de verdadera fachada de varias plantas con estructura de acero. En Blgica, tambin, Horta utiliz ampliamente el hierro y el acero, por ejemplo en los patios de luces que introdujo para la iluminacin de las zonas oscuras de sus edificios en Bruselas, como el Hotel Solay (1894). Lo utiliz tambin en las elevaciones y el interior de la Casa del Pueblo. Otros lo utilizaron de una forma altamente decorativa, como por ejemplo en el puente, las entradas, los pabellones y marquesinas de los nuevos ferrocarriles en Pars y Viena. Un ejemplo notable lo constituye la estacin de Karlsplatz (1898) de Otto Wagner (diapositiva 34). El mismo arquitecto combin el

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El primer edificio distintivo con estructura de acero en Gran Bretaa fue el Hotel Ritz (diapositiva 36) de Londres, proyectado por Mewes, Davies y Sven Bylander. Los pilares principales eran de seccin en cajn de acero, formado uniendo dos perfiles en U, ala con ala, con presillas. Los cimientos tenan forma de emparrillado de acero envuelto en hormign, un sistema inusual fuera de EEUU. Los forjados ignfugos eran de un sistema patentado consistente en dos losas de hormign formando un suelo superior y un revestimiento plano debajo de vigas de acero. La gran luz libre sobre el restaurante requera el uso de celosas de acero. La proteccin contra el incendio del acero se obtuvo en toda la estructura recubriendola con hormign u otro material incombustible. El atractivo del uso del acero proceda de su velocidad de ejecucin comparada con la de las formas tradicionales, aun cuando los reglamentos de construccin vigentes en la poca exigan que las paredes exteriores tuvie-

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EVOLUCIN DEL DISEO DE LOS EDIFICIOS...

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ran un espesor de 775 mm. As, al igual que muchos de sus predecesores con estructura de hierro, el edificio no muestra nada de su estructura porticada sino que tiene el aspecto de una obra con muros portantes de fbrica. La posterior relajacin de los reglamentos de construccin permitieron la construccin de paredes ms finas y los proyectistas empezaron

a dejar a la vista la estructura porticada, como en la Kodak House (1911) (diapositiva 37) de Sir John Burnet y Heal (1916) de Smith y Brewer, con Sven Bylander como ingeniero.

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En EEUU los edificios se hicieron todava ms altos y los arquitectos utilizaban varios mtodos de diseo/estilsticos para romper con su austeridad, como el medievalismo romntico tipificado por el edificio Woolworth de 52 plantas (1913) (diapositiva 38) y los estilos Gtico y Art Nouveau de la Tribunal Tower de Chicago (1922) (diapositiva 39).

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EVOLUCIN DEL DISEO DE LOS EDIFICIOS

de una planta al da. La RGA Radio Tower de 70 plantas (diapositiva 42) que formaba parte del Rockefeller Center (1939) es notable, ya que represent el primer desarrollo en el que un rascacielos se proyect como parte integral de un grupo de edificios, en lugar de una estructura independiente. Mientras tanto, en Europa, las alturas de construccin seguan siendo modestas. En 1928 se construy el Empire Theatre, Leicester Square de Londres, con casi 4000 butacas. Se utiliz una estructura de acero para cubrir una luz de 36 m sobre el auditorio, para soportar una galera con salones de t. El suelo de la galera se apoyaba sobre vigas de acero colocadas en una disposicin escalonada. Otros edificios notables construidos durante la dcada de 1930 son el pabelln de la Warr en Bexhill-on-Sea (diapositiva 43), la primera estructura toda de acero soldado en Gran Bretaa, y los Grandes Almacenes Simpson en Piccadilly, Londres (diapositiva 44). Fue el primer edificio con una fachada completamente libre, utilizando una viga Vierendeel a todo lo ancho de la fachada.
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En los aos siguientes tuvo lugar una carrera para establecer rcords de altura, como el primer edificio de la Chrysler de 320 m de altura (diapositiva 40), con su famoso pinculo revestido de acero inoxidable, y el Empire State Building (1930) (diapositiva 41), que todava ostenta el rcord de velocidad de construccin, que en una etapa lleg a ser

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mientos, muchos de ellos en acero conformado en fro. La Maison du Peuple en Clichy, Pars (1939) es uno de sus trabajos ms famosos, en el que utiliz componentes estampados de acero, no slo para el cerramiento, sino tambin para ventanas, suelos, tabiques y escaleras (diapositiva 45). Despus de un periodo de calma en la construccin en acero, debido a la escasez de material como resultado de la Segunda Guerra Mundial, los estilos arquitectnicos evolucionaron. En ellos ocup un lugar destacable la influencia de Mies van der Rohe y su utilizacin

En Francia, Jean Prouv fue pionero en muchas nuevas aplicaciones y desarrollos tcnicos en el uso del acero. Formado como herrero y especializado en muebles de metal en su fbrica de Nantes, colabor con numerosos arquitectos de primera lnea para la realizacin de cerra-

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EVOLUCIN DEL DISEO DE LOS EDIFICIOS

de una fachada compuesta por unidades prefabricadas y suspendidas delante del prtico estructural. Los primeros ejemplos son el Illinois Institute of Technology (1950) (diapositiva 46), los apartamentos Lake Shore Drive (1951) (diapositiva 47) y el Lever Building de Nueva York (1953) (diapositiva 48). Este nuevo enfoque ahorraba espacio y peso y aceleraba la ejecucin, al tiempo que permita dar al vidrio y al metal una expresin totalmente visual. Uno de los ejemplos ms conocidos es el Seagram Building de color bronce (1957) (diapositiva 49). La evolucin de las formas y el aumento de la altura ha continuado y estos desarrollos se relacionan en el grupo 14.

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141

7.

RESUMEN FINAL
La utilizacin del hierro y el acero en los componentes principales de estructuras de edificios es relativamente reciente. La adopcin de estos nuevos materiales fue espasmdica, en lugar de ser un desarrollo secuencial uniforme. Un repaso histrico de la introduccin de estos materiales puede ilustrarse con los diferentes tipos de edificios: fbricas y edificios industriales, cubiertas de gran luz y estructuras de varias plantas. Las primeras aplicaciones del hierro fueron como componentes secundarios: uniones, soportes y correas. Los tirantes de hierro se incorporaron en cpulas renacentistas. La fundicin y el hierro forjado se adoptaron de forma gradual en estructuras en el siglo XVIII. Los elementos estructurales principales de hierro se introdujeron en un principio para obtener construcciones resistentes al incendio, especialmente en fbricas. Los desarrollos en la construccin de puentes de hierro en el siglo XVIII se reflejaban en las formas de cubiertas de gran luz. En el mismo periodo, el hierro se utiliz de forma creciente en la construccin de edificios de varias plantas. Hacia finales del siglo XIX empezaron a aparecer las estructuras porticadas altas de hierro. Era necesaria alguna proteccin adicional contra el incendio, ya que las vigas de hierro no protegidas podan perder su resistencia a temperaturas altas y los pilares de fundicin podan fallar al enfriarse repentinamente con el agua de las mangueras utilizadas contra los incendios. La introduccin de la forma de construccin totalmente porticada soportando las cargas del suelo y la pared exterior elimin la limitacin de altura resultante de la necesidad de que la pared soportara su propio peso. El arriostramiento liber a la estructura de su dependencia de la fbrica exterior para proporcionar estabilidad lateral. Estas estructuras construidas hacia finales del siglo XIX y principios del siglo XX aumentaban progresivamente en altura.

8.

BIBLIOGRAFA ADICIONAL

1. Collins, A. R. ed., (1986) Structural Engineering - Two Centuries of British Achievement, Tarot Print, Christlehurst, Kent (1983). 2. Gloag, J. and Bridgewater, D., A History of Cast Iron in Architecture, London, 1948. 3. Lemoine, Bertrand, LArchitecture du Fer: XIXe Siecle, Paris, 1986. 4. Mainstone, R. J, Developments in Structural Form, Allen Lane 1995, London. 5. Sheppard, R., Cast Iron in Building, London 1945. 6. Jones, E, Industrial Architecture in Britain 1750-1939, London, 1985. 7. Biney, M., Great Railway Stations of Europe, Thames and Hudson, 1984. 8. Giedion, S., Space, Time and Architecture, Harvard, 1940 and 1966. 9. Russel, B., Building Systems, Industrialisation and Architecture, Wiley, 1981. 10. Guedes, P (ed.) Macmillan Encyclopaedia of . Technology. 11. Walker, D. (ed.) Great Engineers, Academy Editions, London 1987. 12. Hildelerand, G., Designing for Industry, MIT Press, 1974. 13. Ogg, A., Architecture in Steel: The Australian Context, Royal Australian Institute of Architects, 1987. 14. Strike, J., Construction Butterworth, 1991. into Design,

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.4.4: Historia del Hierro y el Acero en Puentes

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Repasar el desarrollo de la construccin de puentes de acero, demostrar cmo los perfeccionamientos de los mtodos y el entendimiento del comportamiento estructural han permitido una mayor eficiencia y luces mayores. Leccin 2.4.3: Historia del Hierro y el Acero en Edificios

RESUMEN La historia de los puentes en todo el mundo se utiliza para ilustrar los desarrollos de la ingeniera estructural. Se consideran tres categoras de puentes: arcos, estructuras de vigas y puentes colgantes. Se consideran brevemente los antecedentes de la construccin en obra de fbrica y madera, mostrando cmo estas formas antiguas se han adaptado para aprovechar las caractersticas del hierro primero y, luego, del acero. Se destacan las innovaciones tcnicas significativas en relacin con materiales, mtodos analticos y conceptos de proyecto. Se comentan algunos fallos notables y las lecciones que cabe extraer de ellos.

CONOCIMIENTOS PREVIOS Ninguno.

LECCIONES AFINES Leccin 2.4.1: Historia del Hierro y el Acero en Estructuras Historia del Diseo en Acero

Leccin 2.4.2:

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1.

INTRODUCCIN

La historia de los puentes es el campo que mejor ilustra el progreso de la ingeniera estructural desde la antigedad hasta el presente siglo. En particular, el desarrollo de los puentes de acero discurre paralelamente al progreso del anlisis estructural, la teora de la resistencia de materiales y los ensayos de materiales, impulsados todos ellos por la necesidad de realizar puentes con mayores luces y construir de forma ms econmica con nuevos mtodos de construccin. Fortuitamente, la mecnica y las matemticas alcanzaron el umbral de la ingeniera moderna justo cuando se desarrollaba la tecnologa del acero en la construccin. Sin embargo, en la poca en que el nuevo material, el hierro, y posteriormente el acero, estaba listo para ser utilizado en estructuras mayores, ya exista una tecnologa altamente desarrollada en la construccin de puentes, concretamente los puentes de madera y los puentes de piedra. Durante los aos 1750-1770, aproximadamente, un nuevo mtodo de fundicin al coque produca mayores cantidades de hierro a un coste que estableci la base para la aplicacin del hierro en la prctica ingenieril. Es importante mencionar que las tecnologas de construccin de puentes en aquel tiempo se basaban en la intuicin individual de destacados maestros y en la experiencia transmitida a travs de generaciones, ms que en reglas mecnicas y matemticas. En la antigedad, la importancia de preservar y extender el conocimiento de la construccin de puentes estaba estrechamente relacionada con los intereses militares y comerciales. Los romanos llegaron a establecer una casta separada -los pontfices (constructores de puentes)- que posteriormente fueron ascendidos al rango de sacerdotes, encabezados por el mximo pontfice, que era tambin uno de los ttulos de los emperadores romanos. Razones similares moti-

varon a los reyes franceses, por ejemplo Luis XIV y, posteriormente, a Napolen, a dar apoyo a las nuevas escuelas de ingeniera (Ecole de Ponts et Chausss y Ecole Polytechnique). As, la construccin de puentes de acero se fund originalmente en los entonces bien probados principios y mtodos de construccin de puentes de madera y de piedra. Los puentes de piedra aportaron el arco, mientras los puentes de madera desarrollaron las celosas, principalmente de estructura fina. De acuerdo con las propiedades tpicas de la fundicin (el primer tipo de hierro disponible) los puentes de hierro se construyeron primero como arcos. Posteriormente, cuando se dispuso del acero, que es capaz de actuar en traccin, se desarrollaron varios sistemas estructurales sobre la base de los principios de las cerchas de madera. Debido a las superiores propiedades del acero y a las ventajas del nuevo mtodo de construccin, un rpido desarrollo de las estructuras de puentes trajo consigo una amplia variedad de sistemas eficientes e inventivos para cualquier tipo de luz. En esta leccin, la historia de los puentes de acero se subdivide de acuerdo con tres tipos de puentes: Puentes en arco Estructuras de vigas, incluidas las celosas, puentes de chapa/vigas-cajn de alma llena y todos los tipos de estructuras apoyadas a flexin, como puentes atirantados por cables y arcos con tirante. Puentes colgantes. Evidentemente, el orden cronolgico de los tres tipos de puentes a lo largo del periodo de tiempo considerado presenta muchas superposiciones. Sin embargo, esta clasificacin parece la ms apropiada para el entendimiento de un ingeniero, ya que se basa en el comportamiento principal del apoyo de los puentes ms que en aspectos de forma o del sistema esttico.

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PUENTES EN ARCO
2. PUENTES EN ARCO
tipo, por ejemplo el Pont de la Concorde de Pars en 1791 (diapositiva 51). La base tcnica para la aplicacin del hierro en la construccin de puentes, por lo tanto, ya estaba establecida. En 1779, Abraham Darby III, un fundidor de hierro ingls, construy con xito el primer

Los arcos transmiten a compresin a los cimientos las cargas verticales repartidas. Debido a las propiedades especficas de los materiales de fbrica, son la forma apropiada de estructura para los puentes de piedra.

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Se sabe que los puentes en arco existieron en el periodo helenstico del Asia Menor. Sin embargo, alcanzaron su periodo de mximo esplendor en poca romana, cuando se utilizaban ampliamente los tpicos acueductos en arco en todo el imperio, por ejemplo el Pont du Gard cerca de Nimes en el sur de Francia, construido en el ao 18 antes de Cristo (diapositiva 50). Los puentes en arco de esta poca tenan solamente forma semicircular, que no permita luces superiores a 35 o 40 m . En la Edad Media se desarroll la construccin en arcos adintelados a fin de construir puentes ms ligeros y luces mayores. Posteriormente, en particular en las academias de ingeniera francesas, este mtodo de construccin se cultiv utilizando la experiencia, as como las ayudas matemticas. J.R. Perronet fue el maestro de los puentes de fbrica de aquel

puente de hierro en Coalbrookdale. Algunos intentos posteriores en Francia e Inglaterra fallaron porque la fundicin de la poca, frgil y con una baja resistencia a la traccin y a la flexin, se

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haba utilizado con sistemas estructurales inapropiados. El puente de Coalbrookdale se construy como puente en arco al igual que los ejemplos anteriores de piedra; sin embargo, el arco estaba estructurado con 5 nervios ligeros segn los principios constructivos de las estructuras de madera. El puente tiene una luz de aproximadamente 30 m y sigue en servicio. Aquellos puentes de fundicin se convirtieron rpidamente en estructuras comunes en Gran Bretaa y se exportaron a otros pases (diapositiva 52).

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El ingeniero alemn Reichenbach desarroll otro mtodo, con tubos de fundicin para la parte comprimida del arco. Este sistema econmico se utiliz ampliamente y un excelente ejemplo de ello es el Pont du Caroussel de Pars, construido en 1839 por Polonceau, con tres vanos de 48 m cada uno (diapositiva 53).

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En los aos siguientes se desarrollaron las piezas fundidas de hierro para impulsar diferentes mtodos de construccin de puentes. Se utilizaban elementos prefabricados, en forma de bloques, como grandes ladrillos, en puentes en arco de hierro patentados. El mayor de stos fue el puente de Sunderland, construido en Inglaterra en 1796 con una luz de 72 m.

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El mayor arco de fundicin jams construido fue el Southwark Bridge de John Rennie sobre el Tmesis en Londres (1819), con una luz de 73 m (diapositiva 54).

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PUENTES EN ARCO
El Mississippi Bridge de St Louis fue construido en 1874 por J.B. Eads (diapositiva 55). Utilizaba barras tubulares, en parte de hierro y en parte de acero, para formar el arco de celosa con una luz de 159 m. Fue el primer puente que construy y, sorprendentemente, se convirti en el vano de arco ms grande del mundo. Los puentes en arco de acero no pueden comentarse sin apreciar la contribucin de Gustave Eiffel, uno de los ms grandes ingenieros de su siglo. Eiffel (1832-1923) fund y presidi la Socit Eiffel, una compaa de ingeniera y trabajos en acero conocida en todo el mundo, con agencias en Oriente Medio, Asia Oriental y Sudamrica. Su principal campo de produccin eran varios tipos de puentes de acero, de los que los puentes en arco eran los ms importantes. Eiffel utiliz tambin la construccin en celosa. Fue el primer ingeniero en desarrollar la preparacin del proyecto de la estructura metlica hasta la totalidad de los detalles y planos de cada elemento o

Diapositiva 55

Un puente similar, notable por su maravilloso diseo en celosa y relacionado con el gran nombre de Thomas Telford, fue construido algunos aos antes (1812) en Escocia, con una luz de 50 m. Otros puentes en arco del mismo tipo fueron construidos posteriormente y pueden encontrarse en numerosos lugares, por ejemplo sobre el Rhin en Alemania o sobre el Loira en Francia. Thomas Telford (17571834), que en sus orgenes fue albail, se convirti en uno de los ms notables ingenieros de su tiempo. Despus de estudiar arquitectura de forma autodidacta, construy 3 puentes sobre el ro Severn, tras lo cual trabaj para las compaas de canales, construyendo unas 900 millas de carreteras y dos acueductos gigantescos para llevar los canales sobre los valles. Entre 1819 y 1826, Telford construy los dos famosos puentes colgantes de cadenas sobre los Menai Straits y el ro Conway. Telford fue el primer Presidente de la Institution of Civil Engineers cuando se fund en 1828.

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remache. Su primer gran xito fue el puente de ferrocarril sobre el Duero en Portugal (1878) con un arco de 160 m de luz. Su puente ms bello fue el Viaduc de Garabit en el sur de Francia, construido en 1884 con una luz de 65 m (diapositiva 56). Los edificios que le hicieron ms famoso son la Torre Eiffel (1889), con una altura de 300 m, y la Estatua de la Libertad (1886).

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el Bayonne Bridge en Nueva Jersey, de O.H. Ammann en 1931, con una luz de 504 m (diapositiva 57) el Sidney Harbour Bridge de R. Freeman en 1932, con una luz de 503 m (diapositiva 58). Ambos puentes son arcos de celosa de doble articulacin, con el tablero suspendido.
Diapositiva 57

Con el desarrollo del acero, aument el tamao de las estructuras. Los mayores vanos de arco se construyeron en los aos hasta 1930:

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PUENTES CON ESTRUCTURAS DE VIGAS...

3. PUENTES CON ESTRUCTURAS DE VIGAS DE CELOSA, DE ALMA LLENA Y DE CAJN

Al principio de la seccin puentes en Arco indicbamos que, en el primer periodo de la construccin de puentes, el hierro slo se poda utilizar a compresin. Hasta cincuenta aos despus, cuando se construyeron estructuras de puentes mayores, no se adoptaron estructuras a flexin con hierro forjado y, posteriormente, con acero, capaces de actuar tambin a traccin. En aquel momento ya exista una tecnologa altamente desarrollada para la construccin de tales puentes en madera, particularmente con vigas de celosa de varias formas y sistemas. Puesto que en un principio las estructuras de acero para construccin empleaban una gran parte de estos conocimientos, daremos a continuacin una visin general del desarrollo de los puentes de madera.

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pocos de ellos han sobrevivido. Los primeros estudios metdicos de sistemas estticos los realiz el arquitecto italiano Andrea Palladio (+ 1580), realizando diferentes tipos de cerchas y vigas tornapuntadas, que entonces se denominaban puentes de Palladio. El apogeo de la construccin de puentes en madera tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XVIII, cuando maestros constructores como Grubenmann y Ritter en Suiza, Gauthey en Francia y Wiebeking en Alemania desarrollaron grandes estructuras con luces de hasta 100 m. Desde entonces, el desarrollo de los puentes de madera se desplaz a EEUU, donde -debido a la falta de carpinteros formados- pasaron a utilizarse estructuras simplificadas. Con una mano de obra poco cualificada se realizaban elementos normalizados y prefabricados, as como uniones sencillas, pero, aun as, se construyeron grandes estructuras de puentes, especialmente de ferrocarril. Los principales tipos de puentes resultantes fueron los puentes de caballete (diapositiva 59) y los puentes de celosa. Los primeros, entre otros, estaban formados por sistemas patentados como la viga de celosa transversal-pretensada de Town (diapositiva 60). Muchas de las ideas estructurales se

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Estructuras de puentes de madera En la poca romana (durante los reinados de Csar y Trajano) se construyeron sobre el Rhin y el Danubio puentes de madera de dimensiones impresionantes . Los puentes de madera fueron muy comunes en la Edad Media, aunque

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transmitieron al principio a los puentes de celosa de acero. Debido al superior comportamiento del acero, los puentes de madera fueron sustituidos paso a paso hasta finales del siglo XIX. Durante la primera mitad del siglo XIX, los puentes de acero se proyectaban con frecuencia con celosas, particularmente en EEUU. Ello se deba principalmente a su comportamiento econmico como soporte de cargas. Sin embargo, en Europa este mismo desarrollo se vio interrumpido durante un breve periodo, cuando se hacan puentes tubulares con grandes vigas de alma llena. Desarrollo de las vigas de alma llena Robert Stephenson Cuando en 1844 la Chester & Holyhead Railway Company decidi construir una lnea de ferrocarril de Londres a la Isla de Anglesey en el norte de Gales, haba que superar dos grandes obstculos: Menai Street y el ro Conway. Robert Stephenson (1803-1859), hijo del gran George Stephenson, estaba a cargo del proyecto. Al contrario que su padre, que haba sido autodidacta, tena una slida formacin como ingeniero. Asumi la direccin de la fbrica familiar de locomotoras a la edad de veintisiete aos y ya era bien conocido como ingeniero de ferrocarriles y puentes en Gran Bretaa.
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Tras realizar varios estudios para el paso del Menai Strait con un puente en arco o utilizando un puente colgante de cadenas que Thomas Telford haba construido unos 20 aos antes en el mismo lugar para el ferrocarril, Stephenson decidi construir un puente con la forma de dos tubos de seccin rectangular (cada uno con 4,4 m de ancho y 9 m de canto) por el que pasaran dos vas de ferrocarril (diapositivas 61 y 62). Realiz el proyecto sobre la base de una experimentacin exhaustiva con modelos a escala 1: 6 utilizando secciones circulares, elpticas o rectangulares. Las investigaciones se realizaron en equipo, junto con W. Fairbairn, responsable de los ensayos y E. Hodgkinson encargado del trabajo terico.

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Se demostr que las vigas de alma llena, de hierro forjado, estrechamente rigidizadas, combinadas con la construccin celular superior e inferior de la cubierta, eran lo bastante resistentes para soportar la carga sobre los vanos de 142 m sin ayuda de los tirantes de la parte superior de las pilas. Estos tirantes se colocaron originalmente al izar las torres, lo que dio al puente su original aspecto. El puente, formado por 4 vanos de 70 + 142 + 142 + 70 m, utiliz 10.600 toneladas de hierro e incorpor 3,5 millones de remaches. El trabajo de taller se realiz junto a la obra, con piezas iguales para cada tramo, cada uno de ellos fue puesto sobre pontones e izado hasta su posicin final. Tanto el trabajo de taller como el montaje fueron obras maestras. Cuando el puente Britannia, como se le denomin, fue inaugurado en 1850, Stephenson no poda saber hasta qu punto haba contribuido al desarrollo de la construccin con vigas de alma llena. Hasta 90 aos despus no pudieron construirse de nuevo puentes de vigas de alma llena con luces similares. El puente Britannia soport el trfico ferroviario durante 120 aos hasta que en 1970 result daado por un incendio. Stephenson construy sobre el ro Conway, al mismo tiempo, un segundo puente de este tipo pero con vanos algo menores. Puentes de celosa (vigas paralelas) Como ya hemos mencionado, la construccin de puentes en celosa de acero se vio alta-

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mente influida por los ejemplos de celosas de madera construidas con varios sistemas en EEUU. Especialmente en el primer periodo, cuando slo se dispona de barras planas, las vigas de celosa de Town se copiaron en acero, resultando unas vigas de fina y densa trama, ya que las secciones planas slo podan resistir las fuerzas de compresin con una longitud de pandeo reducida. Sin embargo, las vigas de celosa mostraron un buen comportamiento esttico y pronto se construyeron con luces considerables. El mayor puente de este tipo en Europa, el Dirschau sobre el Vstula en Alemania, se termin en 1857 (diapositiva 63). Este puente de ferrocarril de va nica fue construido por el gran ingeniero de puentes Karl Lentze (1801-1883) con seis tramos de 131 m cada uno, utilizando vigas de celosa poco separadas. Su diseo se vio ampliamente influido por el puente Britannia, con un perfil tubular similar y con pilares tipo torre parecidos. Adems, el puente muestra una peculiaridad de algunos puentes alemanes: una construccin de acceso tipo castillo, que a veces fue criticada irnicamente en otros pases. Sin embargo, se consiguieron economas considerables en el uso de acero: el puente Dirschau necesit 8,3 toneladas de hierro por metro, frente a las 12,5 toneladas del puente Britannia. El primer puente de celosa de hierro con elementos trabajando a compresin fue el Viaducto de Grandfey cerca de Friburgo, en Suiza, inaugurado en 1862 (diapositiva 64).

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condujeron al desarrollo de mtodos grficos de anlisis estructural, que public en 1860, cuando era profesor en la ETH Zurich. Desde entonces existi una teora completa para el diseo de vigas de celosa. Un puente de celosa tpico de aquella poca era el puente sobre el Danubio, cerca de Stadlau en Viena. Se construy en 1870 como viga continua con cinco tramos de 80 m cada uno. La imagen (diapositiva 65) muestra el proceso de lanzamiento. La construccin de vigas de celosa fue desarrollada a la perfeccin por G. Eiffel - como ya se ha explicado en la seccin Puentes en Arco. Eiffel construy un gran nmero de puentes de celosa para los ferrocarriles franceses y portugueses; un ejemplo (diapositiva 66) es la lnea Beira-Alta (1879 - 1881) de Portugal. El puente ms grande de este tipo construido por Eiffel fue el puente sobre el Tardes, cerca de Evaux, con una luz principal de 105 m (72 + 105 + 72 m), construido en el mismo periodo. Los puentes de celosa del tipo de viga paralela fueron construidos en una amplia variedad, especialmente para los ferrocarriles en Europa, con tendencia hacia sistemas estticos ms sencillos como es la celosa triangular. El puente sobre el Rhin cerca de Maxau en Alemania, construido en 1938, es un buen ejemplo (diapositiva 67). Se trata de un puente mixto de ferrocarril/carretera con vanos de 175 y 117 m.

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Aunque de tipo similar a los viaductos en caballete de madera de EEUU (vase la diapositiva 59), fue la primera viga de celosa verdaderamente moderna con elementos a compresin apropiados. El puente tena siete tramos de 49 m y se mont lanzando la viga por encima de las altas pilas de acero. Otros progresos en la construccin de vigas de celosa se vieron impulsados por nuevos mtodos de anlisis estructural. Karl

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Culmann (1821-1881), por aquel entonces un joven ingeniero alemn, fue enviado a EEUU en 1849 por el Gobierno Real Bvaro para realizar un informe sobre los nuevos tipos de puentes de madera y de acero construidos all. Sus estudios

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Viga Pauli, puente de Saltash, viga Lohse (vigas de cordn inferior poligonal o parablico) El objetivo de obtener una distribucin ptima de las fuerzas en los cordones de las celosas condujo a dos nuevas formas de vigas, la viga parablica, con un cordn superior curvado y la viga de cordn inferior poligonal, con ambos cordones curvados en direcciones opuestas. La primera, llamada viga de Pauli en Alemania, demostr ser muy econmica, con las fuerzas del cordn aproximadamente constantes en toda la longitud del puente. Este sistema fue desarrollado por Friedrich August von Pauli (1802-1883), un ingeniero de ferrocarriles del Gobierno Real Bvaro y posteriormente profesor en la Universidad Tcnica de Munich. la construccin en acero alemana. Una de sus ideas fue una viga parablica especfica, utilizada con frecuencia en Alemania y llamada viga Schwedler, que fue diseada de forma que ninguna de las diagonales trabajara a compresin. Un puente gigantesco del tipo de cordn poligonal fue el puente de ferrocarril Saltash cerca de Plymouth, tambin conocido como el Royal Albert Bridge (diapositivas 69 y 70). Terminado en 1859 y con dos tramos de 139 m cada uno, el puente Saltash tena un cordn superior tubular con una seccin transversal elptica (5,2 m 3,7 m), hecho de chapa curvada remachada, y un cordn inferior formado por cadenas. Las dificultades de construccin impidieron que este tipo de puente se volviera a construir. El constructor era Isambard Kingdom Brunel (1806 - 1859), un conocido ingeniero de ferrocarriles en Gran Bretaa y uno de los ms ingeniosos de su tiempo, cuyo padre construy el primer tnel por debajo del Tmesis en

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La primera viga de Pauli, construida en 1857, fue el puente de ferrocarril sobre el Isar, cerca de Grobhesselohe (Alemania), con luces de 53 m (diapositiva 68). Fue construido bajo la direccin del joven Heinrich Gerber (118321912) que posteriormente se convirti en uno de los mayores ingenieros de puentes de Alemania. Gerber contribuy en gran medida al diseo y anlisis de la viga Pauli. Sin embargo, su amplia reputacin le vino del desarrollo del puente de mnsulas. En un resumen de los grandes ingenieros de puentes alemanes del siglo XIX, debe mencionarse tambin a Johann Wilhelm Schwedler (1832 - 1912). Contribuy mucho al progreso de

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forma similar, con cuatro tramos de 100 m cada uno (diapositivas 72 y 73) y, de nuevo, las grandes construcciones de entrada tpicas de aquella poca. Los sistemas de viga parablica tambin se utilizaron ampliamente, en particular para puentes de ferrocarril sobre los grandes ros de Alemania. El puente Lek cerca de Culenborg en Holanda tuvo el vano ms largo para estas vigas durante mucho tiempo. Lo construy el ingeniero y fabricante Alemn Caspar Harkort en 1868, utilizando acero por primera vez en puentes. La viga tena una luz de 155 m y un canto en el centro del vano de 20,5 m (diapositiva 74). Puentes de mnsulas, vigas Gerber Casi todos los puentes de la primera mitad del siglo XIX estaban hechos con vigas de un solo vano, lo que significa que los puentes de vanos mltiples se dividan en vanos sencillos

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Londres. Brunel, despus de terminar sus estudios en Francia, se hizo ingeniero ayudante en el proyecto del tnel del Tmesis. Aunque posteriormente construy tambin dos puentes colgantes de cadenas, su mayor trabajo en ferrocarriles fue el puente Royal Albert. Brunel dise tambin los primeros y mayores barcos para travesas transatlnticas y particip asimismo en la construccin de muchos muelles, malecones y hospitales. Las vigas de cordn poligonal diseadas por Pauli presentaban numerosas ventajas constructivas y se utilizaron una y otra vez en los puentes alemanes. Por ejemplo, el segundo puente Dirschau sobre el Vstula, construido por J.W. Schwedler en 1891, tena seis tramos de 131 m. La cantidad de acero utilizado para el nuevo puente, que tena dos vas de ferrocarril, fue la misma que para el primero, construido en 1857, con una sola va (diapositiva 71). Un puente de tipo similar fue el puente de vigas de alma llena de doble arco, llamadas Viga Lohse haciendo referencia a su creador, el ingeniero de puentes alemn Hermann Lohse. El sistema estructural, un punto intermedio entre el tipo de cordn poligonal y el tipo de arco atirantado, consista en dos cordones reforzados, unidos con barras verticales. Los ejemplos ms importantes son los cinco puentes sobre el Elba, cerca de Hamburgo, construidos entre 1872 y 1892; un puente de ferrocarril en el sur del Elba y un puente de carretera y tres puentes de ferrocarril en el norte del Elba. Todos tienen una

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Un tipo especial de estructura de celosa, conforme al principio de Gerber de vigas articuladas, es el puente de mnsulas. Haciendo la viga de celosa ms alta en las pilas, pueden construirse mnsulas hasta cerca del centro del tramo sin necesidad de apuntalamiento alguno. Esta tcnica es de gran importancia para los puentes sobre aguas profundas o movidas. Uno de los mayores puentes cantilever es el Firth of Forth Bridge en Escocia. Cuando se construy en 1883 - 1890 con vanos principales de 521 m, obtuvo el rcord mundial de puente de luz ms larga (diapositiva 75). En el texto que sigue se facilitan algunos antecedentes histricos del proyecto especfico realizado por los dos ingenieros Sir John Fowler (1817-1898) y su socio Benjamin Baker (1840-1907). La construccin del puente estuvo a punto de iniciarse con un proyecto realizado por Sir Thomas Bouch, conocido ingeniero de puentes que acababa de terminar el puente de ferrocarril sobre el Firth of Tay, con una longitud total de 3200 m. Este ltimo puente, de celosa de varios tramos, los principales de ellos de 75 m, colaps durante una fuerte tormenta el 27 de diciembre de 1879, justo cuando lo cruzaba un tren, causando la muerte de 72 personas (el poeta alemn Theodore Fontane escribi un famoso poema sobre este accidente). Como resultado de ello, Thomas Bouch perdi toda credibilidad en la compaa de ferrocarril y sus sucesores, J.Fowler y B.Baker, tuvieron que mostrar al pblico los principios estticos de su proyecto (diapositiva 76).

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sobre las pilas. Naturalmente, los ingenieros de aquella poca eran conscientes del comportamiento esttico beneficioso de la viga continua. Sin embargo, tambin conocan las desventajas en relacin con los asientos de los cimientos. Fue idea del alemn H. Gerber introducir rtulas en vigas continuas en lugares estticamente favorables, con lo que se eliminaban los inconvenientes de los asientos. Esta idea fue patentada en 1868 y dichas vigas se llamaron vigas Gerber. Heinrich Gerber (1832-1912) fue uno de los ms importantes ingenieros de puentes en Alemania. Tras su paso por la Real Bvara de Ferrocarriles, pas a dirigir una importante compaa alemana de construcciones metlicas y contribuy en gran medida al desarrollo de los puentes de acero. Fue el primero en introducir los principios de diseo de Whlers para la fatiga en la construccin de puentes de ferrocarril.

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El puente, que hoy en da se considera una construccin nica y gigantesca, es una obra maestra de ingeniera. El canto de la viga, sobre pilares, es de 106 m, las barras tubulares principales tienen un dimetro de 3,7 m y en todo el puente se utilizaron 42.000 toneladas de acero, siendo a veces necesarios 4.600 trabajadores en la obra para acometer el complejo mtodo de construccin (diapositiva 77). J.Fowler fue un ingeniero civil notable, principalmente dedicado a las construcciones de ferrocarriles. Fue pionero del Metro de Londres y posteriormente fue nombrado Presidente del Instituto de Ingenieros Civiles. La forma en que trabajaron los constructores del puente Forth puede compararse con la del puente sobre el ro San Lorenzo, cerca de Quebec. Este puente de mnsulas, de tipo muy similar al de Forth, se convirti, cuando se construy en 1917, en el puente de viga articulada ms largo, con una luz de 549 m. Sin embargo, aunque era slo 27 m ms largo que el puente Forth, tard 12 aos en construirse, producindose dos roturas importantes durante la construccin, lo que indicaba que se haban alcanzado los lmites tericos y prcticos. El Hooghly River Bridge en Calcuta, construido en 1840 con una luz de 455 m, es el cuarto puente de mnsulas ms grande (diapositiva 78). Aunque constituye un ejemplo tardo del xito de este tipo de puentes, su forma no parece tan clara como la de sus predecesores.

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Puentes de celosa en EEUU Basado en una larga tradicin en puentes de celosa de madera, fue Squire Whipple quien primero desarroll el mtodo de anlisis y diseo de celosas de fundicin y hierro forjado. Se le llam el Padre de los puentes de celosa de hierro y construy su primer puente en 1841, una viga de celosa parablica que fue patentada y construida con xito muchas veces en los aos siguientes. En 1847 public un libro sobre la construccin de puentes y desarroll el puente de celosa trapezoidal, llamado viga Whipple. Whipple, construy entre 1852-54, dos de estos puentes con luces de unos 45 m. para ferrocarril. Estos puentes tienen cordones con eslabones de hierro forjado que, en aos posteriores, fueron sustituidos por Linville, poco a poco, por barras con ojo de acero, permitiendo en consecuencia un aumento de los vanos. El puente ms largo de este tipo, con un vano principal de 155 m, se construy para el ferrocarril en 1876 sobre el ro Ohio, cerca de Cincinnati. La viga de un solo vano ms larga de aquel tiempo fue una viga de celosa parablica de 165 m. de un puente, tambin sobre el ro Ohio, en Cincinnati, construido por Bouscaren en 1888. Tambin se construyeron puentes de mnsulas en EEUU durante el periodo 1877 1889, con vanos principales de 65 m. Se montaban utilizando apuntalamientos, por ejemplo el High Bridge sobre el ro Kentucky y el puente del ro Hudson, en Poughkeepsie.

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PUENTES CON ESTRUCTURAS DE VIGAS...

Arco atirantado Un puente de arco atirantado acta como una estructura de vigas, que soporta la carga con un comportamiento del arco igual que el cordn superior de una cercha, mientras que la viga del tablero acta como el cordn inferior. La viga de arco y tablero se conectan sencillamente mediante pndolas y forman una estructura que presenta considerables ventajas constructivas para vanos anchos simples o sometidos a cargas pesadas. Los puentes de arco atirantado se han incorporado a esta seccin porque su comportamiento esttico principal se asemeja al de las vigas ms que al de los arcos, por ejemplo al transmitir las reacciones verticales al estribo cuando son sometidos a cargas verticales. Estos puentes se utilizaron con frecuencia en el pasado, especialmente para puentes pesados de ferrocarril. Los primeros puentes de gran luz se construyeron en Hamburgo en el sur del Elba (1899), con cuatro tramos de 100 m. En 1906 -1910 en Colonia, se construy el puente Hohenzollern con tramos de 102 + 165 + 102 m (diapositiva 80). Cuando tuvieron que cambiarse las antiguas vigas Lohse en Hamburgo (1915) tambin se utilizaron puentes de arco atirantados (diapositiva 81). Puentes atirantados con cables Del mismo modo que los puentes de arco atirantados, los puentes atirantados con cables

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Puentes de vigas de alma llena y de vigas cajn Tras el excepcional Britannia Bridge, los puentes de viga de alma llena continuaron teniendo luces de unos 30 m. El desarrollo de la soldadura en la estructura de acero supuso un nuevo impulso. La utilizacin de la soldadura empez aproximadamente en 1929 e influy considerablemente en la construccin de puentes de acero, en particular en los puentes de carretera. Despus de algn paso atrs debido a fallos por rotura frgil, en los aos 30 , tuvo lugar un aumento muy rpido en el tamao de los vanos. Un ejemplo tpico de grandes vanos es el puente sobre el Rin en Bonn (1948) con tramos de 99 + 196 + 99 m (diapositiva 79).

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El puente atirantado de cables es el tipo de puente con ms reciente desarrollo. Su origen se encuentra en Alemania (en torno a 1950) y el primer puente construido en 1957 fue el puente Theodor Heuss en Dsseldorf, con tramos de 108 + 260 + 108m. Un gran nmero de estos puentes, con diferentes tipos de torre y de diseo de cables, se construyeron a lo largo del Rhin, por ejemplo, con trazado de formas agudas, en Dsseldorf/Oberkassel (diapositiva 82) o en forma de abanico en el puente Norte de Bonn (diapositiva 83).
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se clasifican dentro del apartado de estructuras de vigas. En realidad se comportan como vigas continuas elsticamente apoyadas, ms que como puentes colgantes, aunque a menudo se les considera relacionados con stos. Los cables inclinados proporcionan un soporte ms o menos elstico en puntos individuales a lo largo de la viga del tablero. Esta disposicin permite realizar con vigas relativamente esbeltas puentes con una luz considerable. Como resultado de la carga vertical, slo las reacciones verticales son transmitidas a los estribos.

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PUENTES COLGANTES
4. PUENTES COLGANTES
En 1819 Samuel Brown (1776-1852) construy el Union Bridge cerca de Berwick, con una luz de 120 m tras inventar un nuevo tipo de cadena, llamada barras de ojal. (Despus de este invento, la elaboracin de cadenas pas de la fabricacin de cadenas tipo cable de anclaje ordinario en las herreras a los talleres de forja). Brown construy ms puentes de cadenas, por ejemplo en 1820/21 el Trinity Pier Bridge en Newhaven, cerca de Edimburgo (3 puentes de cadenas en hilera, cada uno con un vano de 64 m) y en 1822/23 el Chain Pier, en Brighton, ms grande, que fue diseado como cuatro puentes de cadenas de 78 m de luz, en lnea. Este puente sufri vibraciones inducidas por el viento y fue destruido dos veces durante sendas violentas tormentas. Es interesente saber que, incluso en 1823, Marc Isambard Brunel (1769-1849), el constructor del tnel del Tmesis en Londres y padre del gran ingeniero de ferrocarriles I.K. Brunel, construy dos puentes de cadenas en la isla de Reunin, que estaban eficazmente rigidizados contra el viento mediante cadenas contracurvadas situadas debajo del tablero del puente. Un hito en la construccin de puentes lo marcaron los puentes construidos por Thomas Telford, ya mencionado en la seccin de puentes en arco. El puente de cadenas sobre los Menai Straits en el norte de Gales (diapositiva 85),
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Los predecesores de los puentes colgantes de hierro y acero fueron los puentes para peatones construidos con cuerdas y diferentes materiales en los primeros siglos en China, India y Sudamrica. Los puentes colgantes de cadenas de hierro tienen su origen en China, donde, hace unos 500 aos, se construyeron los puentes de este tipo ms antiguos que se conocen. Ninguno de ellos estaba rigidizado. Se balanceaban violentamente al paso de la gente y sus tableros delgados se fijaban directamente a las cadenas. La primera propuesta de un puente colgante de cadenas, con tablero horizontal de paso suspendido de tres cadenas, fue publicada por Faustus Verantius (1551-1617), un acadmico del Renacimiento, pero, hasta finales del siglo XVIII, no se construyeron tales puentes (diapositiva 84).

El primero de ellos fue construido por James Finley (1762 - 1828) en 1796 en EEUU, seguido por un gran nmero de puentes del mismo tipo, al haber obtenido ste una patente. Los puentes de Finley eran relativamente estables y, por tanto, podan utilizarse para trfico rodado. Puentes colgantes de cadenas Los primeros puentes colgantes de cadenas en Europa se construyeron en Gran Bretaa.

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puente de carretera con una luz libre de 177 m, fue el ms largo de la poca. Construido de 1819 a 1826 (Telford tena 60 aos cuando se termin), era una estructura notable que influy tambin a Navier cuando estableci su teora sobre los puentes colgantes. Telford utiliz cadenas de barra de ojal con uniones especiales mejoradas. Cada uno de los dos cables tena 16 cadenas. En un principio fue construido sin elementos rigidizadores, pero durante el primer ao de servicio se reforz despus de que una fuerte tormenta causara grandes flechas de aproximadamente 1 m. Telford construy un puente similar, pero con una luz menor, sobre el ro Conway cerca del castillo de Conway. Cabe sealar que tanto en Menai Straits como en el ro Conway, Robert Stephenson construy famosos puentes de ferrocarril cerca de los de Telford, unos 25 aos despus. El nombre de otro gran ingeniero, Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) tambin est relacionado con los puentes colgantes. Brunel, conocido por su puente Royal Albert, un puente del tipo tubular en Saltash, construy el puente colgante Clifton cerca de Bristol (diapositiva 86). Este puente de cadenas, con una luz de 214 m, no se termin hasta 1864. Utilizaba las mismas cadenas que el Puente Hungerford (luz de 206 m) en Londres, que haba construido Brunel en 1845.

por ejemplo el puente Hammersmith en Londres (1827, luz de 122 m) y el puente sobre el Danubio en Budapest (1845, luz de 203 m). En Alemania, el puente colgante ms antiguo fue el puente de cadenas de Malapane, (Schlesien), construido en 1827 con una luz de 31 m. Le sigui en 1829 el puente Ludwigs sobre el Regnitz en Bamberg, con una luz libre de 64 m. Este puente, cuidadosamente proyectado, tiene algn inters ya que caus una profunda impresin al joven Johann Roebling cuando estaba estudiando en Berln. Posteriormente se convirti en el ms importante ingeniero de puentes colgantes. Otros antiguos puentes de cadenas, no mencionados aqu de forma detallada, se construyeron en Francia, por ejemplo en Pars, sobre el Sena, por De Verges (1829, luz de 68 m) y en Langon, sobre la Garona, por P.D.Martin (1831, luz de 80 m). Tambin el checo B.Schnirch construy puentes de cadenas en Praga (1842, luz de 133 m) y en Viena (1859, luz de 83 m). Puentes colgantes de cables de alambre Mientras la construccin de puentes de cadenas continuaba en Gran Bretaa y Alemania, en Francia, Suiza y EEUU empezaban a utilizarse cables de alambre, basados en la experiencia de que los alambres tenan una resistencia considerablemente mayor que las cadenas de hierro. Despus de estructuras de prueba construidas por los hermanos franceses Sguin, el ingeniero suizo G.H.Dufour (1787 1875) y Marc Sguin (1786 - 1875) construyeron el primer puente colgante de cable de alambre del mundo. Este puente, el Pont St. Antoine, situado en Ginebra, era, cuando se construy en 1823, el primer puente colgante permanente del continente europeo. Seis cables de 90 alambres soportaban cada uno luces de 40 m. El problema principal en la fabricacin de cables de alambre paralelo es garantizar que todos los alambres soportan la misma traccin. Mientras Sguin, ms emprendedor que ingeniero, intent conseguirlo utilizando cables con diferentes curvaturas, Dufour resolvi el problema

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Otro ingeniero britnico, W T Clark, construy puentes de cadenas durante este periodo,

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pretensando todos los alambres ,de modo que no quedara ninguno destensado. Esto significaba pretensar los cables con un dispositivo especial y, seguidamente, elevarlos a los soportes. La mejor solucin, trenzar los cables in situ, alambre por alambre, fue sugerida en un principio por el ingeniero francs L. J.Vicat y el mtodo mecnico de trenzado fue desarrollado por J. Roeblking. Aunque Sguin fund una compaa de construccin de puentes y construy ms de 80 puentes colgantes de unos 100 m de luz, el ejemplo ms importante de esta generacin de puentes de cables de alambre fue construido en 1834 por el ingeniero francs J.Chaley (1795 1861) en Gribourg, Suiza. Cruza el valle de Saane en un tramo nico de 273 m. Se le llam el Grand Pont Suspendu (diapositiva 87) y fue el puente ms largo del mundo hasta que se inaugur el puente de Ohio en Wheeling, en 1849. Chaley utiliz 4 cables, cada uno con 1056 alambres, pretensndolos como haba hecho Dufour antes que l. Los cables se situaron en el fondo del valle y se elevaron hasta la parte superior de las torres. min en 1839 y fue construido por de Verges y Emil Martin.

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Despus de este periodo, el desarrollo de otros grandes puentes colgantes se traslad de Europa a Estados Unidos, debido, en parte a la expansin del ferrocarril al oeste del pas, y, tambin, a la emigracin de ingenieros europeos a Amrica y la transferencia de conocimiento tcnico. Dos nombres dominaron el progreso principal en ese tiempo, Ellet y Roebling. Mientras que Ellet es considerado un ingeniero eficaz y un gran promotor, los Roebling, padre e hijo, con sus excelentes conocimientos cientficos y habilidad tcnica, imprimieron un impulso importante al arte de construir puentes colgantes. Charles Ellet (nacido en 1810), de origen humilde, fue un ejemplo de ingeniero hecho a s mismo. Despus de trabajar como ingeniero ayudante y ahorrar dinero, decidi estudiar en Europa en la Ecole Polytechnique de Pars. Complet con xito sus estudios y despus de ello viaj por Francia, Gran Bretaa y Alemania, visitando los puentes y obras de ingeniera ms recientes. A su regreso a EEUU se hizo muy activo como promotor, trabajando en proyectos de grandes puentes colgantes y proyectndolos eficazmente. Durante ese tiempo estableci contacto con J.A. Roebling, quien sugiri colaborar, pero fue rechazado y ello fue el inicio de una rivalidad que dur siempre. Despus de construir varios puentes con xito, el mayor xito de Ellet fue el puente colgante sobre el Ohio, cerca de Wheeling.

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Un diseo interesante fue el realizado con una hilera de puentes colgantes cruzando el Dordogne cerca de Cubzac (diapositiva 88). Estaba formado por 5 tramos, cada uno con una luz de 109 m. y, adems de los cables principales, tena tirantes fijados a la parte superior de una torre y tendidos, hasta la siguiente torre, a la altura del tablero del puente. Este puente se ter-

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Terminado en 1849 con una luz libre de 308 m, fue el puente ms largo de la poca. Los dos cables estaban formados por 6 cuerdas cada uno y cada una de stas contena 550 alambres agrupados lado a lado de forma que, si se haca necesario reforzar el puente para su utilizacin por el ferrocarril, podan aadirse ms cuerdas. Antes de que pudiese ser demolido (no dejaba espacio suficiente para los barcos de vapor) fue destruido en 1855 por una fuerte tormenta. Seis aos despus fue reconstruido por Roebling. Puentes Colgantes de Ferrocarril Antes de hablar en detalle de los Roebling, conviene hacer algunas observaciones sobre el uso de los puentes colgantes para el ferrocarril. El primer intento se realiz en 1830, construyendo un puente de cadenas sobre el ro Tees cerca de Stockton, para una prolongacin de la lnea Stockton-Darlington. La luz libre era de 86 m, la carga permanente calculada 150 toneladas pero se comprob con decepcin que, con menos de la mitad de la carga, las flechas eran inadmisiblemente altas. Este comportamiento se aadi a las reticencias sobre la aptitud de estos puentes para el ferrocarril. Sin embargo, los ingenieros de puentes colgantes en Estados Unidos, como Ellet y Roebling, eran optimistas o estaban incluso convencidos de que se poda conseguir realizar puentes colgantes para el ferrocarril. La primera gran prueba fue el cruce de la garganta del Nigara (vase ms abajo). Despus de ello, el puente de Brooklyn se dise tambin para soportar el ferrocarril. Desde entonces se han construido muy pocos puentes colgantes para ferrocarril. Una excepcin fue el puente de cadenas para ferrocarril construido en Viena por Schnirch sobre el canal del Danubio, con un vano de 83 m (1859). Los Roebling Los principales desarrollos en puentes colgantes, hasta los trabajos de los Roebling, los haban realizado ingenieros britnicos y franceses. Johann August Roebling (1806 - 1869) naci en Thringen, Alemania, estudi en la entonces famosa escuela de ingeniera el Instituto Politcnico Real de Berln y emigr en 1831 a Estados

Unidos. All se convirti en uno de los ms reputados ingenieros en construccin de puentes del continente, as como en el principal fabricante de cables de alambre. Trabajando en un principio como supervisor en empresas de canales, invent mquinas para fabricar cables con alambres y seguidamente desarroll una eficaz compaa de cable de alambre que, posteriormente, bajo la direccin de sus hijos, lleg a tener 8000 empleados. Entre 1844 y 1850 construy 5 pasos Cabak sobre ros, acueductos, as como un puente de carretera, todos soportados por cables de alambres. Estos acueductos, que transportaban la gran masa de agua del canal en conductos de madera, le convirtieron en un ingeniero notable. Algunos de ellos todava estn en servicio en la actualidad, convertidos en puentes de carretera. Desarroll un mtodo de trenzado de cable en el que los alambres eran soportados por una rueda sobre las torres y anclajes. Utilizando este mtodo, el requisito de que todos los alambres estuvieran sometidos a la misma tensin se cumpla de forma natural, dando a cada alambre la misma curvatura (flecha). Los mtodos modernos de fabricacin de cables de suspensin todava son, en principio, los mismos. Algunas de las operaciones ejecutadas de forma manual en la poca de Roebling se han mecanizado desde entonces. La idea de que un ferrocarril cruzara la garganta del Nigara (diapositiva 89), cerca de las cataratas, represent un gran reto para los constructores de puentes americanos y europe-

Diapositiva 89

164

PUENTES COLGANTES
os. Mientras ingenieros europeos como Samuel Brown y Robert Stephenson consideraban que una luz libre de 250 m para la carga del trfico ferroviario era algo demasiado arriesgado o incluso imposible, los americanos Ellet, Roebling, Serrel y Keefer (todos en competencia) apostaron por el proyecto. El primero que tuvo xito, consiguiendo el contrato, fue Ellet en 1847, pero slo construy un puente provisional para peatones y no pudo realizar un puente de ferrocarril. El siguiente fue Roebling en 1851 y lo consigui, construyendo un puente de doble tablero para trfico ferroviario y carretera. La viga era una cercha Howe de madera y los cuatro cables estaban formados por 3640 alambres cada uno. Cuando en 1855 se inaugur el puente, el primer puente de ferrocarril con un vano de 250 m, Roebling se convirti en un ingeniero muy respetado. Serrel y Keefer construyeron tambin puentes colgantes sobre el Nigara, el primero un puente de carretera (1851, con una luz de 318 m y destruido en 1861 por una tormenta) el segundo un puente para peatones muy cerca de las cataratas (1868, luz de 388 m) llamado puente Honeymoon, que tambin fue destruido por una tormenta en 1889. La principal innovacin del trabajo de Roebling fue su eficiente diseo conceptual, que prevena el efecto de las tormentas rigidizando mediante vientos diagonales y vientos adicionales debajo de la carretera. Roebling fue tambin el primero en construir puentes colgantes con rigidez sistemtica de la viga del tablero. Public sus teoras, destacando la importancia de considerar los efectos del viento en el clculo. Resulta sorprendente que, posteriormente, muchos ingenieros olvidaran la importancia de los efectos del viento, culminando en el famoso accidente en Tacoma Narrows en 1940 (vase ms adelante). En el periodo de 1857 a 1866, Roebling construy el puente colgante Allegheny en Pittsburgh y luego el gran puente Ohio River en Cincinnati, con una luz de 322 m, el ms largo del mundo cuando se termin en 1866. En este puente se utilizaron vigas y cerchas de hierro forjado para las viguetas del tablero. Durante la construccin de ambos puentes el hijo de Roebling, Washington A.Roebling (1837-1926) trabaj como ayudante de su padre. El sueo de los Roebling, o ms bien su obsesin, era construir un puente sobre el East River, entre Brooklyn y Nueva York. Su idea era un puente colgante para ferrocarril y trfico rodado con una luz de 486 m. Pero J.A. Roebling no pudo realizar l mismo el proyecto a causa de un accidente mortal en la obra, durante el trabajo de supervisin, slo 3 aos despus de obtener el contrato. Su hijo asumi su cargo, pero durante los trabajos en los cajones neumticos para los cimientos de las torres sufri un grave ataque de aeroembolismo. Desde entonces qued invlido, postrado en su cama y afectado por un trastorno nervioso. Llev adelante el proyecto desde su habitacin, situada junto a la obra, observando el avance de los trabajos con unos gemelos desde su ventana. Su mujer, Emily Warren Roebling dedic su vida al puente, se convirti en su ayudante y mantuvo contacto con los trabajadores y los ingenieros asociados. Cuando en 1883 se inaugur el puente de Brooklyn o East River (diapositivas 90 y 91), era

Arriba: Diapositiva 90 Abajo: Diapositiva 91

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Diapositiva 92

Diapositiva 94

una obra maestra de ingeniera, el mayor puente del mundo. Las torres, de fbrica, tenan una altura de 107 m; los bloques de anclaje pesaban 60.000 toneladas cada uno; cada uno de los 4 cables, con un dimetro de 40 cm, estaba formado por 5358 alambres; estaba rigidizado por una viga de celosa de tablero atirantada por gran nmero de vientos diagonales. Despus de ms de 100 aos desde su inauguracin, el puente de Brooklyn sigue en servicio. Aumento de las Luces Despus del puente de Brooklyn, que alcanz una luz de aproximadamente 500 m, las luces de los puentes colgantes siguieron aumentando. Cincuenta aos despus se haban duplicado.

En 1931, el puente George Washington (diapositiva 92) de Nueva York fue la primera estructura con una luz de 1000 m. Othmar H. Amman, un ingeniero suizo emigrado que se convirti en uno de los mayores constructores de puentes en Estados Unidos, utiliz 4 cables de 91 cm de dimetro de ms de 20.000 alambres cada uno. El puente soportaba mayor carga no permanente que cualquier otro, consistente en dos tableros de trfico y 14 vas, con una luz de 1067 m. Ciertamente, el ms famoso de todos los puentes colgantes es el Golden Gate (diapositiva 93) a la entrada de San Francisco. Fue construido por Joseph Strauss en 1937 con una luz de 1281 m. Aparte de la maravillosa forma del puente, es interesante sealar que el color fue objeto de una seleccin cuidadosa, escogindose el anaranjado Internacional. El pueblo de San Francisco se ha opuesto encarecidamente a todo intento de cambiarlo. El puente Tacoma Narrows (diapositiva 94) cerca de Seattle, entonces con un vano medio de 853 m, se hizo tristemente famoso cuando se colaps en 1940 por el viento. El colapso se registr en una pelcula. Los ingenieros, dedicados a clculos estticos, realizaron esfuerzos continuos en la construccin de estructuras ms econmicas y esbeltas, sin prestar atencin a las lecciones que haba dado Roebling anteriormente sobre la rigidizacin de los puentes contra el viento. El puente de Tacoma oscilaba con el viento, aunque se hab-

Diapositiva 93

166

PUENTES COLGANTES
an aplicado correctamente las teoras estticas, tal como se las conoca entonces. Despus de este accidente se revisaron los mtodos de clculo y, como resultado de ello, se desarrollaron nuevas tendencias en el proyecto de puentes colgantes: Otra tendencia fue adoptada en Europa, donde el profundo conocimiento de los problemas aerodinmicos llevaron a utilizar tableros similares en su forma a las alas de los aviones. Los puentes ms recientes en Gran Bretaa han sido construidos de esta manera y uno de ellos, el puente Humber, estableci el nuevo rcord mundial de luces libres con 1410 m (diapositiva 96).

Diapositiva 95

Una tendencia fue adoptada por O.Amman en Estados Unidos cuando dise el puente Verrazano Narrows (diapositiva 95), la mayor luz de aquel tiempo, 1298 m, cruzando la entrada al puerto de Nueva York. Opt por una viga de cajn muy rgida para resistir las vibraciones torsionales debidas a la influencia dinmica del viento.

Diapositiva 96

167

5.

RESUMEN FINAL
En las primeras construcciones de puentes se utilizaron formas similares a las utilizadas tradicionalmente en estructuras de fbrica y de madera. Los importantes desarrollos en el hierro, y seguidamente en el acero, han permitido luces mayores, una mejor eficacia y una mayor elegancia. Estos desarrollos se asocian a la mejora del conocimiento del comportamiento estructural y a las mejores propiedades de los materiales. La capacidad de los ingenieros para crear nuevos conceptos de clculo y realizar anlisis sofisticados tambin ha sido crtica en este desarrollo. Los desarrollos en la construccin de puentes no han estado faltos de fallos.

6.

BIBLIOGRAFA ADICIONAL

1. Robins, F. W., The Story of the Bridge, Birmingham, Cornish 1948 2. James, J. G., The Evolution of Iron Bridge Trusses to 1850, Transactions of New Common Society, Vol 52 (1980-81), pp 67-101. 3. Walker, J. G., Great Engineers, Academy Editions, London 1987

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.5.1: Introduccin al diseo de edificios industriales

169

OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Describir las razones del uso del acero y presentar las formas comunes de estructuras para edificios industriales. Leccin 16.1.2: Edificios de Una Sola Planta: Cerramientos y Estructura Secundaria Leccin 16.2: Anlisis de Prticos: Introduccin y Anlisis Elstico Anlisis de Prticos: Anlisis Plstico

CONOCIMIENTOS PREVIOS Leccin 16.3: Ninguno.

LECCIONES AFINES Leccin 1.1: Introduccin al Papel del Acero en la Construccin en Europa Principio de Diseo Bases para la Determinacin de Cargas Celosas

RESUMEN Se discuten las razones del amplio uso del acero en edificios industriales. Las ventajas del acero son su alta relacin resistencia-peso, la rapidez de montaje y la facilidad de ampliacin. El acero se utiliza no slo en la estructura, sino tambin para cerramientos. Se describen los tipos comunes de estructura. stos son el prtico, la viga de celosa y la cercha. Se muestra que la estabilidad general se consigue fcilmente. Se presenta la amplia variedad de perfiles utilizados en edificios industriales. Se identifican los posibles enfoques del anlisis global.

Leccin 2.2.1: Leccin 2.3:

Leccin 9.12:

Leccin 16.1.1: Edificios de Una Sola Planta: Introduccin y Estructura Primaria

171

1.

TIPOS DE EDIFICIOS INDUSTRIALES

Existe una amplia variedad de tipos de edificios, desde grandes estructuras como plantas energticas y de proceso, hasta pequeas unidades de fabricacin de productos de alta calidad. El tipo ms comn es la estructura rectangular simple (figura 1), normalmente de una planta, que proporciona un espacio confortablemente protegido contra la lluvia e inclemencias ambientales para llevar a cabo actividades de fabricacin o almacenamiento. Siendo siempre el coste inicial una consideracin predominante, con un presupuesto razonable puede conseguirse un edificio con buena apariencia y con requisitos de conservacin moderados. Aunque la facilidad de ampliacin y la flexibilidad son caractersticas deseables en una construccin, el coste inicial, por lo general, limita los elementos

Figura 1 Tpico edificio industrial

tiles que pueden incluirse en el proyecto para cubrir estas necesidades potenciales. A pesar de que se puede conseguir abaratar el coste de futuras modificaciones especficas mediante las previsiones adecuadas, por ejemplo evitando el uso de estructuras de prtico terminal (figura 2), los cambios en los procesos de fabricacin o en el uso del edificio pueden alterar las modificaciones previstas. Cuando, por razones de prestigio, el presupuesto es ms generoso, una forma de planta compleja o una disposicin de estructura inusual pueden producir un edificio arquitectnicamente significativo. Aunque muchas caractersticas son comunes a todos los edificios industriales, en esta leccin se tratan principalmente los edificios de una planta, de construccin y forma sencillas.

Figura 2 Testeros

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ESTRUCTURA DE ACERO...
2. ESTRUCTURA DE ACERO PARA EDIFICIOS INDUSTRIALES
La estructura de un edificio de acero, especialmente de un edificio industrial, se monta y se cubre rpidamente, proporcionando el envoltorio contra la intemperie que permite realizar la instalacin de suelos, servicios y acabados interiores en una fase temprana. Puesto que el plan de construccin se ajusta siempre a la fecha de entrega fijada en la programacin de produccin, el tiempo ahorrado en la construccin, normalmente, es muy valioso.

Comparado con otros materiales, en particular con el hormign armado o pretensado, el acero presenta importantes ventajas. Su alta relacin resistencia-peso y su alta resistencia a la traccin y a la compresin, permiten la realizacin de edificios relativamente ligeros.

Figura 3 Cerramiento

El acero es, por lo tanto, el material ms adecuado para cubiertas de gran luz en las que el peso propio es de primera importancia. Asimismo, los edificios de acero pueden modificarse para adaptarlos a ampliaciones o cambios de utilizacin, debido a la facilidad con la que pueden unirse perfiles de acero a las obras existentes. El acero no slo es un material verstil para la estructura de un edificio, sino que adems existe una amplia variedad de cerramientos que logran la resistencia mediante el plegado de chapas finas para crear formas perfiladas (figura 3). Los sistemas de cerramientos con aislamiento, dotados de recubrimientos especiales, se utilizan ampliamente en la actualidad para el cerramiento de cubiertas y muros laterales. Tienen magnifico aspecto y durabilidad y se pueden instalar rpidamente.

En un ambiente cerrado y seco, el acero no se oxida y slo necesita proteccin contra la corrosin durante el periodo de montaje. Para otros ambientes, hay sistemas de proteccin disponibles que, dependiendo del coste y de la conservacin apropiados, previenen adecuadamente la corrosin. Normalmente, las naves industriales estn exentas de requisitos de proteccin contra el incendio de la estructura. El incendio no debe extenderse ms all de los lmites del edificio como resultado del colapso de la estructura. Este requisito puede cumplirse previendo muros cortafuegos y mediante la interaccin que surge en la prctica entre las bases y los pilares que los soportan.

173

3.

ELECCIN DE UN EDIFICIO INDUSTRIAL

Un futuro propietario puede tener una memoria detallada de proyecto relativa a la construccin de plantas industriales situadas en cualquier lugar. Ms frecuentemente, el propietario se ayuda en la eleccin de un edificio adecuado elaborando una lista detallada de requisitos, a partir de la cual pueda prepararse una memoria del proyecto. Deben decidirse, en primer lugar, las opciones iniciales en lo referente a la ubicacin preferida, la adquisicin del solar y las necesidades ambientales. Deben definirse las dimensiones principales, la operacin de proceso, la disposicin de la planta, las necesidades de cimentacin, los sistemas de manipulacin, la iluminacin diurna, el control medioambiental, las rutas de servicio, el nivel de personal y el acceso. La seleccin preliminar debe efectuarse entre un edificio especialmente pensado para el propietario, una nueva fbrica construida en gran medida con componentes estructurales normalizados, o la adaptacin de un edificio existente. La ltima opcin puede ser una unidad construida como desarrollo especulativo, o una unidad que ha quedado vacante.

La situacin de los pilares interiores y la altura interior son siempre importantes y la exclusiva consideracin de estos requisitos puede determinar la seleccin. La ventaja de tener libertad para planificar el edificio, ajustndolo estrictamente a los requisitos y prever un desarrollo futuro, es considerable. No obstante, salvo que existan razones excepcionales, como la permanencia de un uso especfico, no conviene disear un edificio industrial exclusivamente para un solo tipo de actividad, puesto que las caractersticas especiales apropiadas para aquella pueden dificultar nuevos desarrollos.

174

FORMAS DE LOS EDIFICIOS...

4. FORMAS DE LOS EDIFICIOS INDUSTRIALES
el canto del perfil, reduciendo las fuerzas de los tornillos. Extendiendo las zonas reforzadas a lo largo de las cerchas, la viga se refuerza y rigidiza.

Por su economa, la forma ms utilizada es el prtico con cubierta inclinada, basado en rtulas, de una o mltiples naves, tpicamente con luces de 20-30 m y 6 m entre prticos (figura 4). Los elementos utilizados normalmente son perfiles, laminados en caliente o en fro, o vigas de chapa soldadas.

Figura 5 Unin dintel-pilar del prtico

Figura 4 Prticos tpicos

Figura 6 Estructura de viga de celosa

En los ltimos aos se ha incrementado el uso de vigas armadas. Este incremento es el resultado del progreso alcanzado en la automatizacin de la soldadura y en la posibilidad de adaptar la seccin a las fuerzas internas. Puesto que los pilares internos anulan un espacio apreciable a su alrededor, su separacin puede incrementarse utilizando vigas celosa longitudinales para soportar las cerchas del prtico. Para este tipo de cubierta, normalmente el cerramiento es de panel metlico aislante, que puede tambin utilizarse en la parte superior de los muros laterales. La iluminacin con luz natural se obtiene mediante elementos translucidos perfilados en la cubierta. Cuando se usan perfiles laminados en caliente, normalmente se prevn cartelas (figura 5) en los aleros y dinteles. Estas mnsulas aumentan

Las vigas de celosa (figura 6) son ms ligeras que las cerchas de los prticos, pero la mano de obra adicional incrementa los costes de ejecucin. Basndose solamente en requisitos estructurales, los sistemas de celosa resultan econmicamente efectivos para luces superiores a 20 m. Pueden utilizarse cerchas para estructuras que soportan puentes gra pesados (figura 7).

Figura 7 Prtico con soporte y cubierta formadas por celosas

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Figura 9 Viga celosa ligera

que puede ser necesaria alguna forma de eliminacin interna de agua de lluvia si la extensin de la cubierta es grande. El montaje y la proteccin contra la intemperie de las instalaciones situadas en la cubierta resultan sencillos y el acceso a ellas resulta fcil. Las cubiertas planas pueden estar soportadas mediante correas laminadas o conformadas en caliente sobre vigas principales en I o vigas de celosa. En estructuras menores, el panel puede ir directamente de una viga a otra, sin necesidad de correas.
Figura 8 Perfiles estructurales

Existe disponible en el mercado una amplia variedad de perfiles estructurales para vigas de celosa y cerchas, incluidos los angulares simples, los angulares adosados, los perfiles en T, los perfiles en H o los perfiles huecos (figura 8). Para cargas ligeras pueden utilizarse como vigas perfiles en fro con barra de refuerzo como alma (figura 9). Los inconvenientes de las cubiertas inclinadas de naves mltiples se derivan de la necesidad de la utilizacin de canalones y bajantes internos para la recogida del agua de lluvia, que constituyen una posible fuente de goteras, y, adems, dificulta el acceso a instalaciones de la planta montadas externamente en la cubierta. La forma de cubierta ms verstil es la nominalmente plana, sellada por una membrana aislante sobre panel metlico (figura 10). Esta forma permite una amplia libertad en la planta y elimina la necesidad de canalones internos, aun-

Figura 10 Cubierta plana de chapa

176

FORMAS DE LOS EDIFICIOS...

Disposicin general Cordones superiores

Para cubiertas planas, cuando las instalaciones de servicios tienen cierta entidad y hay muchas instalaciones exteriores en la cubierta, puede resultar muy adecuado la utilizacin de vigas alveoladas, que, por cierto, tienen un momento resistente superior que las vigas en I, o de una estructura espacial de doble capa (figuras 11 y 12). Una estructura bidireccional distribuye las cargas locales mejor que cualquier otra. El soporte para el panel de la cubierta lo proporciona directamente la capa superior, y el soporte para los servicios la capa inferior de la parrilla. La iluminacin con luz natural en las cubiertas planas resulta costosa, ya que es precisa la utilizacin de cpulas o lucernarios. Las cubiertas planas son ms frecuentes en construcciones industrias en las que la necesidad de luz natural es mnima.

Cordones inferiores

Arriostramientos

Figura 11 Estructura espacial de emparrillado de doble capa

Figura 11 Estructura espacial de emparrillado de doble capa

Leccin 1B.5.1

Figura 12 Estructura espacial de emparrillado de doble capa

177

5.

LA ESTABILIDAD DE LOS EDIFICIOS INDUSTRIALES

Es esencial determinar las cargas aplicadas a la estructura y establecer las lneas de carga desde el cerramiento a las correas y carriles laterales, a travs de las estructuras principales, y hasta los cimientos. Estas cargas vienen determinadas por la carga permanente, las cargas del viento y nieve, a veces, las de gras o impactos causados por carretillas elevadoras. La resistencia general de los edificios industriales sencillos de una planta se consigue con facilidad. Uno de los atractivos de las construcciones de prticos consiste en que la estabilidad en el plano procede de la rigidez de las uniones de los prticos. Por lo tanto, el arriostramiento entre prticos slo es necesario en lnea con el correspondiente arriostramiento de las cerchas del plano de cubierta. Para edificios bajos, puede ser suficiente arriostrar tan solo el extremo de una nave. En edificios mayores puede ser necesario arriostrar dos o ms naves. El arriostramiento de cerchas por s mismo proporciona un freno a las cabezas de los pies derechos. Las naves de extremos arriostrados proporcionan puntos de anclaje a los que se fijan los tirantes longitudinales estabilizadores de las cerchas, que, por lo general, son las correas. Durante el montaje, el arriostramiento facilita el aplomado y escuadrado del edificio y proporciona la estabilidad esencial.
Figura 14 Sistemas de arriostramiento

En las estructuras con vigas de celosa (figura 6), la estabilidad en el plano puede obtenerse conectando los brazos superiores e inferiores al pilar. Si el edificio tiene cerchas de celosa de cubierta (figura 7) o si slo los cordones superiores de las vigas de celosa estn conectados al pilar (figura 13), la estructura est efectivamente articulada al nivel de los aleros. Para proporcionar estabilidad en plano, deben fijarse tambin las bases de los pilares o disponerse vigas longitudinales en el plano de cubierta (figura 14). Estas vigas se extienden entre los extremos de los testeros, y deben arriostrarse adecuadamente. Si el edificio es largo o est dividido por juntas de dilatacin, el arriostramiento longitudinal puede no ser viable y los pilares deben tener bases fijas. Los edificios con vigas de celosa o cerchas deben arriostrarse tambin para conseguir estabilidad longitudinal. Los elementos de arriostramiento de edificios industriales suelen ser tubos estructurales, perfiles laminados o ngulos. En presencia de gras, los requisitos de estabilidad deben examinarse ms detalladamente pues el movimiento longitudinal y transversal de la gra aumenta los esfuerzos en los sistemas de arriostramiento.

Figura 13 Viga de celosa y columnas

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ANLISIS GLOBAL
6. ANLISIS GLOBAL
La seleccin del mtodo de anlisis global, plstico o elstico, de los prticos en los estados lmites mximos depende del tipo de seccin transversal. En la figura 15 se facilita un ejemplo del mecanismo de colapso plstico de una estructura con mnsulas. Los edificios con gras deben analizarse siempre con el mtodo elstico. El anlisis elstico debe utilizarse siempre para determinar las flechas bajo cargas de servicio.

La estructura puede tratarse como sistema bidimensional o tridimensional. Los sistemas de arriostramiento se analizan como si fueran articulados. Cuando se utiliza arriostramiento transversal, p.e. vertical, se supone que slo son efectivos los elementos a traccin (las barras comprimidas se supone no son efectivas debido al pandeo).

Figura 15 Mecanismo de colapso plstico

179

7.

RESUMEN FINAL
La construccin metlica se emplea ampliamente para edificios industriales, e incluye los elementos estructurales (como marcos, correas, carriles laterales) y los sistemas de cerramiento. La estabilidad general se obtiene de la rigidez de las uniones y utilizando sistemas de arriostramiento.

Los edificios pueden analizarse utilizando un esquema bidimensional o tridimensional y un anlisis elstico o plstico, segn sus secciones transversales. Hay disponible una amplia variedad de formas laminadas en caliente para barras estructurales. Con perfiles armados se puede obtener una mayor flexibilidad. Las correas y carriles laterales pueden realizarse con perfiles laminados en fro.

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ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.5.2: Introduccin al diseo de edificios industriales singulares

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OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Describir las caractersticas principales del proyecto de edificios industriales singulares. RESUMEN Los edificios industriales singulares son de dos tipos: aqullos cuya construccin es poco habitual y aqullos que se proyectan para una industria especial. Algunas funciones, como los mtodos de manipulacin, mantenimiento y proteccin contra incendios, se comentan brevemente. Se presentan ejemplos de edificios especficos como plantas energticas, hangares, etc.

CONOCIMIENTOS PREVIOS Ninguno.

LECCIONES AFINES Leccin 2.5.1: Introduccin al Proyecto de Edificios Industriales

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1.

TIPOS DE EDIFICIOS INDUSTRIALES SINGULARES

Los edificios industriales singulares son de dos tipos: aqullos cuya construccin es poco habitual y aqullos otros que se proyectan para una industria especial. La caracterstica principal de tales edificios es que se proyectan invariablemente para un propsito o proceso particular y, en consecuencia, resulta prcticamente imposible adaptarlos a otra clase de utilizacin. Entre los primeros se encuentran los edificios industriales que, por razones de prestigio ms

que econmicas, emplean formas estructurales inusuales, que proporcionan una expresin arquitectnica que contribuyen a la calidad visual del edificio. Al ser nicos, estos edificios no pueden considerarse genricamente. Ms adelante, en esta leccin, se describen brevemente algunos ejemplos. Entre los edificios proyectados para industrias especficas figuran las plantas de industria pesada, hangares para aeronaves, plantas energticas, aceras y fbricas de cerveza. Muchos de estos edificios presentan caractersticas similares cuyos principios se consideran a continuacin.

Figura 1 Columnas compuestas

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MTODOS DE MANIPULACIN
2. MTODOS DE MANIPULACIN

Las gras mviles con capacidad de 10 toneladas o ms son una caracterstica de las plantas de industria pesada y las plantas energticas. Requieren soportes compuestos y vigas-carril para soportar las cargas verticales y de choque (figura 1). Las gras mviles ligeras con capacidades de 1 a 5 toneladas son habituales en los hangares para aeronaves y las industrias ligeras. Pueden ir unidos a la estructura de la cubierta y proyectarse con soportes mlFigura 3 Gra sin carril

5 naves @ 6,1 m

Viga transversal

tiples para una cobertura amplia, o pueden disponerse para transporte lateral de nave a nave (figura 2). La flexibilidad de la cubierta puede adquirir importancia para las gras montadas en cubiertas que se utilicen para operaciones de montaje. Hace algunos aos se desarrollaron las llamadas gras sin carril. El concepto de sin carril invierte el principio de gra mvil. Se montan carriles cortos en los carros de traslacin. Estos carriles discurren a lo largo de una serie de ruedas estacionarias. Los carriles se proyectan para ser algo ms largos que la distancia mxima entre tres puntos de apoyo adyacentes, de forma que la gra est siempre soportada por al menos dos ruedas en cada lado (figura 3). Como resultado de esta concepcin, la va larga convencional para la gra se hace superflua. Las ventajas de esta concepcin innovadora vienen del ahorro en los costes de la estructura metlica del edificio (hasta un 20%) y en la manipulacin de material. Son factibles las vas, para el movimiento de la gra, que se cruzan unas con otras.

Figura 2 Instalacin de gra colgante en hangar existente

2 naves @ 6,1 m + 1 nave @ 2,0 m

185

porte de rodillos se utilizan tambin para el transporte de elementos voluminosos y, por lo general, se montan en el suelo. Como resultado de los avances en su concepcin, en la actualidad son muy comunes los vehculos de transporte motorizados, incluidas las carretillas elevadoras. Su principal influencia en el proyecto afecta a la calidad del suelo y a la altura.
Figura 4 Sistema transportador

Las cintas transportadoras pueden montarse en el suelo o en la cubierta. Las cintas para montaje pueden cargar pesos considerables y, necesariamente, estar suspendidas de la cubierta (figura 4). Los sistemas mecnicos de trans-

El apilamiento automtico de palets mediante carretillas de horquilla elevadora, especialmente proyectadas, puede requerir un control muy estricto del trabajo de taller y del montaje de estanteras y bastidores de apilamiento. Los bastidores pueden incorporarse a la estructura del edificio (figura 5).

Figura 5 Rack de almacenamiento paletizado

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ILUMINACIN NATURAL
3. ILUMINACIN NATURAL
un porcentaje de la superficie del plano: un 5% da suficiente luz para un almacn y un 20% para un proceso de trabajo. Generalmente se utiliza algn sistema artificial para establecer un nivel conveniente de iluminacin, y se puede prever la iluminacin natural a efectos de confort visual o para obtener un efecto arquitectnico.

Pocas industrias presentan en la actualidad necesidades particulares en cuanto a iluminacin natural, ya que a menudo se prev el trabajo a turnos. La iluminacin natural a travs de paredes y cubierta se describe, las ms de las veces, como

187

4.

SERVICIOS

La cantidad de servicios puede variar en diferentes partes del edificio, desde una norma estricta de climatizacin apropiada para una dependencia limpia, hasta conducciones de proceso extensivo. El apoyo y paso de los servicios puede verse facilitado u obstaculizado por la estructura de cubierta (figura 6). La calefaccin de estructuras altas de una sola planta constituye

siempre un problema, particularmente cuando la seguridad contra el incendio exige un control estricto sobre la temperatura de la fuente de calor. Inevitablemente, las previsiones de gras, iluminacin, calefaccin y servicios tales como aire y energa elctrica entrarn en conflicto. Cada una de ellas influye en la concepcin de la construccin. A veces, si los servicios son particularmente extensivos, resulta ventajoso utilizar una forma estructural que proporcione un apoyo abundante para ellos.

Figura 6 Servicios auxiliares en estructura de cubierta

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CARGAS ESPECIALES EN CUBIERTA

5. CARGAS ESPECIALES EN CUBIERTA
disposiciones pueden causar cargas importantes en la cubierta. Aunque no es posible tener en cuenta todas las modificaciones que pueden influir en el diseo del edificio sin incurrir en grandes costes adicionales, resulta mucho ms econmico incorporar una resistencia aadida a un edificio en la fase de proyecto, que despus de finalizada su construccin, en particular si el uso intensivo del edificio entrara en conflicto con la operacin de refuerzo. La capacidad de la estructura para distribuir lateralmente cargas locales puede influir en la eleccin de la estructura. Las estructuras tridimensionales, por ejemplo, tienen capacidades excepcionales a este respecto.

Aunque en el diseo de la cubierta de las fbricas modernas suele preverse una carga nominal general para servicios y una carga puntual en los miembros principales, esta previsin puede ser insuficiente en edificios especiales. La carga de la cubierta puede determinarse previendo futuros posibles cambios que pudieran introducirse en el proceso para el cual se ha proyectado el edificio, o para desarrollos de los mtodos de manipulacin o plataformas de acceso, proyectadas para mejorar la productividad. Estas

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6.

MANTENIMIENTO

hacer radiografas y, por consiguiente, es preciso despejar reas por seguridad. El mantenimiento de la cubierta es de particular importancia. Las posibles consecuencias de una acumulacin excesiva de agua en la cubierta, debida a un posible atasco de las bajantes, o a emisiones del proceso, o a lluvias torrenciales nieve o granizo deben considerarse cuando se decida el tipo de cubierta. Debe considerarse asimismo el posible deterioro de la superficie de la cubierta debido al clima o a emisiones agresivas.

Todo material utilizado en construccin tiene una vida limitada que, por lo general, puede prolongarse con un mantenimiento apropiado. El mantenimiento ser de particular importancia en edificios especiales. El proyecto del edificio debe prever un acceso adecuado para el mantenimiento que se precise. ste puede entrar en conflicto con el uso previsto del edificio, lo que ocurrir fcilmente si el uso de ste es intensivo; si el mantenimiento requiere desmontar equipos o izarlos, o se precisan

190

PROTECCIN CONTRA INCENDIOS

7. PROTECCIN CONTRA INCENDIOS
cional, as como dispositivos de inyeccin de dixido de carbono. La explosin de polvos representa un riesgo en procesos que dependen del transporte, mediante cinta o conducto de aire, de polvos finos. El control de los resultados de una explosin se consigue a menudo situando estratgicamente paneles anti explosin. Las explosiones de gas pueden ser mucho ms destructivas y difciles de controlar.

Debido a las caractersticas de la actividad que deba realizarse en el edificio, puede ser preciso adoptar medidas excepcionales respecto a la prevencin de incendios y explosiones, a la proteccin contra el incendio y a la limitacin de daos. Pueden ser necesarias instalaciones de rociadores de capacidad excep-

191

8.

ALGUNOS EJEMPLOS DE EDIFICIOS ESPECIALES

8.1 Centrales trmicas de carbn

Central trmica tpica de tamao medio (figuras 7 y 8) consiste en una sala de turbinas con una luz de 38,6 m. flanqueando una nave de silos de 13 m de luz, junto a Figura 8 Central trmica de carbn: alzado una sala de calderas de luz 31,5 m. y un edificio de precalentadores de aire turbinas y generadores. La altura de la nave de silos, en la que se almacena combustible para de 12m de ancho. La altura de la sala de turbinas es normalmente de 30 m, y est determinavarias horas, y la de la sala de calderas, son da por los requisitos de mantenimiento de las similares y vienen determinadas por la altura de la caldera y el tamao de los silos de combustible, siendo tpicamente de 60 m. La longitud del edificio depende del nmero de generadores instalados, cada uno con su propia caldera. Este tipo de planta energtica se construye casi totalmente con estructura y revestimiento de acero. Se elige la construccin en acero porque la realizacin de la sala de calderas se encuentra siempre en el camino critico crtico del programa de ejecucin. La ejecucin de la estructura, proyectada para adaptarse a la caldera y de la cual se suspende sta, es el elemento central del programa. Los puntales de la estructura de la caldera, a menudo en nmero de seis, son generalmente de perfil compuesto en H y soportan cada uno 1000 toneladas; la caldera va suspendida de vigas armadas que se extienden sobre los puntales. La estructura de acero externa de la sala es relativamente ligera y se apoya principalmente en la estructura de la caldera, que tambin refuerza al edificio.

Figura 7 Central trmica de carbn

192

ALGUNOS EJEMPLOS DE EDIFICIOS...

celosa ligeras, excepto cuando se requiere una resistencia adicional para facilitar la instalacin de la gra. Puede preverse la ampliacin de la sala de turbinas, pero la ampliacin de la sala de calderas depende de la eleccin de la caldera, por lo que deber confiarse en la facilidad de conexin a la estructura metlica existente.
Figura 9 Hangar de dos naves

En la nave de silos, que tambin es una estructura de acero, se encuentran los grandes silos de alimentacin con una capacidad de 600 toneladas; construidos con chapa de acero y soportados a un elevado nivel, se abastecen de combustible mediante transportadores. Existe un riesgo de incendio y explosin en los transportadores de abastecimiento y en los conductos que conectan el silo al pozo de combustible y ste a la caldera. En esta parte de la planta se requiere, por lo tanto, una proteccin contra incendios mediante rociadores y dixido de carbono, as como una aplicacin ignfuga para la estructura metlica. En la sala de turbinas, los grupos generadores se montan a 10 m por encima del suelo con condensadores instalados debajo. Debido al peso de los grupos, la estructura soporte, que habitualmente es de acero pero que tambin puede ser de hormign, es de construccin pesada. Para el mantenimiento de los grupos generadores se dispone de una gra puente de 100 t. que se desplaza a lo largo de toda la longitud de la sala y requiere pilares pesados adosados a la pared lateral para soportar las vigascarril. La estructura de la cubierta es de vigas de

El mantenimiento de la planta generadora es una consideracin importante en el proyecto de una planta energtica. El mantenimiento del edificio es razonablemente fcil, puesto que la generacin no crea condiciones o desechos agresivos. La corrosin no es un problema mayor, de modo que resulta adecuado limpiar con chorro de arena y pintar la estructura metlica. La construccin de trmicas de este tipo muestra la versatilidad del acero, cuyo uso va desde la estructura pesada para soportar la planta a la estructura ligera de la cubierta y su recubrimiento. A esta versatilidad se une la velocidad de ejecucin en la obra que permite el trabajo de taller fuera de la obra. Por lo tanto, resulta comprensible que en este campo de aplicacin se utilice casi exclusivamente el acero.

8.2 Hangar de mantenimiento de aeronaves

Un hangar tpico para el mantenimiento de aviones Boeing 747 (figuras 9, 10 y 11) tiene 76 m. de anchura y 97,5 m. de longitud y puede

193

estar compuesto por una, dos o tres naves. La altura mxima libre es normalmente de 23,5 m. para dejar espacio a los alerones de cola de 20 m de altura de la aeronave, pero slo son necesarios 17 m. sobre el fuselaje y las alas principales. Por lo Figura 11 Hangar de dos naves tanto, la cubierta puede tener dos niveles: la altura en la zona de la cola ser de 23,5 m. y el resto de 17 m. La cubierta de dos niveles obliga a la aeronave a entrar de proa, mientras que un hangar de altura constante permite entrar de proa o de popa. En la parte posterior del hangar se encuentra un bloque de 2-3 plantas de taller y administracin, con 10 m de profundidad y la misma anchura que el hangar. La pendiente de la cubierta es normalmente escasa para evitar una altura excesiva y utiliza una membrana de cubierta aislada sobre tablero de metal o un recubrimiento aislante de dos capas. La estructura de cubierta se compone normalmente de cerchas de celosa, vigas de alma llena o prticos, pero tambin se han utilizado prticos tridimensionales de parrilla de doble capa. Normalmente, la puerta principal tiene una altura de 21 m y puede ser deslizante-plegable o de deslizamiento tangencial. La anchura de la apertura total es de 80 m. Si el espacio de alojamiento de las puertas solapa la apertura, la anchura de la nave se incrementa en conse-

cuencia. Algunas puertas de hangar tienen una altura de slo 14 m, con una puerta adicional de 7 m de altura para la cola, o pueden tener una seccin central plegable verticalmente de 21 m de altura. Aunque algunos hangares pequeos se han construido en hormign pretensado, en la actualidad casi todos se construyen con estructura y cerramientos de acero. Los hangares se especializan para el mantenimiento de un tipo de aeronave o para varios tipos. El acceso a una aeronave, debido a la forma y tamao de sta, es un problema que se resuelve mejor mediante andamiajes especialmente adaptados al tipo de aeronave en particular. Esta disposicin permite la realizacin del mantenimiento por un personal numeroso. Tpicamente, el andamiaje consiste en una estructura para las alas principales, una para la cola y otra para el fuselaje. Se desplazan hasta su posicin una vez la aeronave se ha situado en una posicin fija. Puesto que para desmontar los trenes de aterrizaje es necesario elevar 1,5 m la aeronave, normalmente los andamios deben disponer de ajuste vertical. El uso de fosos puede hacer innecesaria la elevacin, pero incrementa considerablemente el coste y supone una especializacin aadida.

Figura 10 Hangar de dos naves

194

ALGUNOS EJEMPLOS DE EDIFICIOS...

Salvo que puedan desplazarse fuera del hangar, los andamios ocupan una gran cantidad de superficie cubierta. Obstruyen la colocacin y mantenimiento de otros tipos de aeronaves cuando no se utilizan. En consecuencia, los andamios de cola y de fuselaje se suspenden a veces de la cubierta del hangar. Puesto que los andamios de cola pesan 12-50 toneladas y los andamios de fuselaje 50-100 toneladas, el proyecto de la cubierta debe tenerlos en cuenta. Normalmente los hangares disponen de gras mviles ligeras que cubren toda la superficie. Se utilizan para manipular piezas desmontadas de hasta 1 tonelada de peso. Pueden, asimismo, preverse montacargas motorizados aislados con una capacidad de hasta 10 toneladas. Como alternativa, las gras mviles pueden tener una capacidad de 10 toneladas. Pueden surgir conflictos entre las gras y los andamiajes suspendidos. Si se ha proyectado una cubierta de dos niveles, ser necesaria una gra aparte para la nave de cola. La energa elctrica, el aire y otros servicios pueden suministrarse desde tomas mviles montadas en la cubierta o en el suelo. La calefaccin puede realizarse por elementos radiantes embebidos en el suelo o mediante ventiladores de alta potencia suspendidos de la cubierta. Los ventiladores son grandes unidades apropiadas para la altura del hangar. Puede hacerse una instalacin

Figura 13 Planta de leche en polvo

de rociadores, dependiendo esto de la extensin de las operaciones de mantenimiento realizadas y de los procedimientos de seguridad adoptados en relacin con el combustible a bordo. Salvo para el mantenimiento de la cubierta, los requisitos de mantenimiento de un hangar son normalmente escasos, ya que las emisiones agresivas se limitan al drenaje del suelo del hangar donde se realiza la pintura o de talleres de limpieza o procesamiento qumico. Debido a la gran superficie de la cubierta y a su altura, as como al entorno caractersticamente expuesto de un aeropuerto, los daos por tormentas siempre son posibles. Las goteras de la cubierta pueden tener graves consecuencias debido al alto valor de las piezas de las aeronaves. Los desarrollos en la concepcin de las aeronaves y la mayor competencia para la obtencin de los contratos de mantenimiento hacen necesario prever modificaciones en los hangares. La introduccin del tipo 747 y otras aeronaves de fuselaje ancho oblig a ampliar muchos de los hangares que se utilizaban en aquel tiempo. Sin embargo, el uso intensivo de un hangar y las estrictas normas contra incendios y de seguridad aplicadas cuando las aeronaves se encuentran en su interior dificultan la realizacin de modificaciones. Por lo tanto, la flexibilidad debe preverse en la fase de proyecto.

Figura 12 Planta de leche en polvo

195

8.3 Fbrica de leche en polvo

Una tpica fbrica de leche en polvo (figuras 12, 13 y 14) consiste en una torre deshidratadora de aspersin de 18 m por 17 m, por 32 m de altura con una sala de calderas externa, un silo y una planta embaladora anexa de 16 m por 18 m, as como un almacn para el producto ya empaquetado de 54 m por 54 m, con una altura libre de 7 m para el transporte por carretillas elevadoras y apilamiento. La torre y anexos tienen una estructura porticada de acero, con forjado de hormign y cerramientos de acero. El almacn suele ser de naves mltiples con prticos de luz pequea con correas de acero y con un revestimiento consistente en placas de fibrocemento o de chapa sencilla de acero . El deshidratador de aspersin es un tambor de acero inoxidable con 10 m de dimetro y 14 m de altura soportado en varios pisos. La leche y el aire caliente se inyectan por la parte superior y la leche en polvo seca se recoge en el fondo de la tolva. De ah se transporta a los silos de la planta de embalaje. La carga de los suelos es ligera, salvo en la planta auxiliar y en el deshidratador de aspersin, que, en funcionamiento, pesa 60 toneladas. Existe un riesgo apreciable de explosin por la leche en polvo finamente dividida. El deshidratador incorpora conductos resistentes y un panel exterior anti-explosin para controlar la direccin y el resultado de una posible explosin. En la estructura metlica de la torre se prev esta instalacin. La gran cantidad de aire inyectado en el proceso requiere extractores de salida para extraer la leche en polvo del aire de escape.

Figura 14 Planta de leche en polvo

La superioridad de la estructura de acero en la construccin de hangares de aeronaves es un hecho incuestionable. La rapidez de construccin, la adecuabilidad para cubiertas de gran luz, la versatilidad para el montaje de servicios diversos y andamiaje, as como la adaptabilidad a posibles futuras ampliaciones, virtualmente excluyen otros materiales estructurales.

Figura 15 Centro Renault, Swindon

196

ALGUNOS EJEMPLOS DE EDIFICIOS...

Incluso con un mantenimiento regular, los extractores nunca son eficaces al 100%, por lo que se escapa algo de polvo, que puede acumularse rpidamente. Las acumulaciones de polvo pueden causar problemas en el drenaje de la cubierta que, por lo tanto, requiere un proyecto apropiado. La leche en polvo contiene cido lctico que es moderadamente agresivo, en particular para cerramientos de cubiertas planas como el asfalto y el fieltro. Por lo tanto, debe considerarse la durabilidad de la cubierta. A nivel interno, se requiere un entorno biolgicamente limpio a fin de que la planta cumpla con las reglas sanitarias del proceso. Las superficies internas deben poder limpiarse fcilmente. Esta exigencia se cumple mejor mediante revestimientos internos de alta calidad. El evitar fisuras que puedan depsitos de material condiciona la eleccin y especificacin de los detalles de cualquier estructura de acero expuesta al medio interno. La competencia en la fabricacin de leche en polvo requiere un control estricto del coste inicial y de los costes de explotacin. Puesto que los deshidratadores evolucionan, puede ser necesario un cambio de deshidratador que implique importantes alteraciones de la torre. El uso del acero en la estructura y cerramientos facilita el control de costes tanto en la construccin como en la modificacin.

8.4 Complejo industrial

Algunos importantes proyectos industriales proporcionan la escala y la oportunidad para adoptar formas estructurales inusuales que presentan ventajas particulares. Un buen ejemplo de forma estructural inusual es el Centro de Distribucin de Piezas de Renault en Swindon (figuras 15, 16 y 17). Se precisaba un edificio de una sola planta de 25.000 metros cuadrados, con un almacn, un centro de formacin, una sala de exposiciones y oficina, con la perspectiva de una posible una ampliacin del 50%. Para adecuar las formas de apilamiento en el almacn se adopt una nave de 24 m x 24 m, con una altura interna de 8 m, iluminacin en cubierta del 2,8% y acristalamiento en paredes laterales en algunas reas. La superficie principal es de 4 naves de anchura y 9 naves de longitud, con 6 naves adicionales en un extremo. La estructura consiste en un esqueleto formado por prticos estructurales sobre los ejes rectangulares y diagonales. Los mstiles principales son tubos estructurales de 16 m de altura y 457 mm de dimetro rigidizados con tirantes. Los elementos de cubierta son cerchas simples formadas por vigas en I con una flecha de 1,4 m y rigidiza-

Figura 16 Centro Renault, Swindon

197

das en su parte inferior con arriostramientos realizados con barras y montantes tubulares cortos. La continuidad entre los mstiles y las cerchas se establece mediante el arriostramiento con barras que conectan las cabezas de estos a un cuarto de las cerchas. Mientras los pies mstiles internos se equilibran mediante cerchas en cada lado, los perimetrales, que tienen cerchas transversales y diagonales slo en un lado, se equilibran mediante anclajes en el suelo que sujetan tirantes conectados a los mstiles en el mismo nivel que las cerchas. Para los tirantes de mstiles se utilizaron barras de aleacin y para los arriostramientos de acero Fe 510. Las barras se conectan a los montantes principales mediante grilletes de fundicin, hechos a propsito, atornillados a las car-

telas soldadas a los tubos de 457 mm de dimetro, y a las cerchas a travs de manguitos montados en los perfiles de las vigas. En cada nave las cerchas se arquean hacia una claraboya central de 4 m 4 m. La cubierta est formada por una membrana aislante sobre tablero metlico soportado por correas entre las cerchas. Las limahoyas formadas por las cerchas arqueadas se desaguan mediante conductos incorporados en los mstiles. Los tensores de los mstiles principales y de los arriostramientos pasan a travs del recubrimiento de la cubierta. El aspecto general es inusual, semejante a una marquesina, de mstiles y tensores que sobresalen de la cubierta.

Figura 17 Centro Renault, Swindon

198

RESUMEN FINAL
9. RESUMEN FINAL
Algunas industrias requieren estructuras especiales. Tambin pueden realizarse estas por razones de prestigio. Las gras y transportadores soportan pesos considerables y pueden suspenderse de la cubierta. Si los servicios son extensivos, resulta ventajoso utilizar una forma estructural que proporcione apoyo abundante. La rapidez de construccin, la adecuabilidad a grandes luces, la versatilidad para el montaje de servicios y la adaptabilidad se benefician del uso del acero para los edificios industriales.

199

ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.6.1: Introduccin al Proyecto de Puentes de Acero y Mixtos I

201

OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Presentar los puentes de acero y mixtos. Comentar los componentes de los puentes y los sistemas estructurales. Describir los tipos comunes de puentes de acero puentes de vigas armadas, viga en cajn y viga de celosa. RESUMEN Se describen los fundamentos de los puentes. Se indican los componentes bsicos de la estructura de un puente y se comentan los tipos de sistemas estructurales en el contexto de su utilizacin. Se describen los aspectos generales y los sistemas de tablero de los puentes de acero antes de tratar los puentes de viga compuesta, viga en cajn y viga de celosa.

CONOCIMIENTOS PREVIOS Ninguno.

LECCIONES AFINES Leccin 2.6.2: Introduccin al Proyecto de Puentes de Acero y Mixtos II: S i s t e m a s Estructurales: Puentes

Lecciones 18.1 a 18.12:

203

1.

FUNDAMENTOS

El hombre ha construido puentes para salvar obstculos, como desfiladeros, ros, valles o carreteras existentes, que imposibilitaban o dificultaban sus desplazamiento. El objeto de un puente es llevar un servicio como puede ser una carretera o una va de ferrocarril. Los puentes desempean un papel muy importante en la tcnica de la construccin y han recibido la denominacin de oubrages drt en francs. La eleccin entre un puente de acero y un puente de hormign (hormign armado u hormign pretensado) es una decisin bsica que debe tomarse en una fase preliminar del proyecto. Varios factores influyen en esta decisin, por ejemplo: las luces necesarias los procesos de ejecucin las condiciones locales las exigencias de los cimientos

se proponen soluciones atirantadas por cables, la eleccin entre una superestructura de puente de hormign, de acero o mixto no resulta fcil. A veces la decisin entre una solucin de acero y una solucin de hormign se reconsidera despus de las licitaciones de los fabricantes para acometer las obras del puente. En general, las soluciones de acero pueden presentar las siguientes ventajas en comparacin con las soluciones de hormign: cargas permanentes menores cimientos ms econmicos mtodos de montaje ms sencillos menor tiempo de ejecucin.

La decisin debe basarse en comparaciones de: comportamiento estructural aspectos econmicos esttica En la comparacin de costes deben considerarse tanto los costes iniciales como los de mantenimiento necesarios a lo largo de la vida de la estructura. El tiempo necesario para la ejecucin, que en los puentes de acero es generalmente menor que en los puentes de hormign pretensado, tambin puede influir en la decisin. En el pasado, los puentes de hormign no podan competir con los puentes de acero en luces medias y grandes, debido a la menor eficiencia (resistencia/carga permanente) de las soluciones de hormign. Con el desarrollo del hormign pretensado, no es fcil decidirse entre una solucin de hormign y una de acero para puentes de luz media (aproximadamente entre 40 y 100 m). Incluso para grandes luces, entre 200 y 400 m, para los que generalmente

Un inconveniente del acero comparado al hormign es el coste de mantenimiento para la prevencin de la corrosin. Sin embargo, actualmente se reconoce que los puentes de hormign tambin presentan problemas relacionados con la conservacin, es decir, relacionados con los efectos de la corrosin de los refuerzos de acero sobre la durabilidad de la estructura. Aunque los costes de mantenimiento y la esttica desempean un papel importante en la decisin del proyecto, por lo general el coste inicial de la estructura es el parmetro ms decisivo en la seleccin de una solucin de puente de acero o de hormign. Generalmente se estudian soluciones de ambos tipos, al menos en una fase preliminar del proyecto. En la figura 1 se muestran los principales componentes de la estructura de un puente. Las dos partes bsicas son: la estructura de apoyo la superestructura. La primera incluye las pilas, los estribos y los cimientos. La segunda est formada por la propia estructura del tablero que soporta las cargas directas debidas al trfico y todas las dems cargas permanentes y variables a las que est sometida la estructura.

204

FUNDAMENTOS
Estribo (subestructura) Superestructura

Tablero superior

Apo yos Pilas(subestructuras)

Cimientos

V iga transversal

Diafragma en pilas, arriostramiento en cruz a intervalos entre pilas.

Superestructura : seccin transversal

Figura 1 Componentes bsicos de un puente

La conexin entre la estructura de apoyo y la superestructura se efecta generalmente mediante aparatos de apoyo. Sin embargo, pue-

Figura 1 Componentes bsicos de un puente

den adoptarse tambin conexiones rgidas entre las pilas (y a veces los estribos), particularmente en puentes de prtico con pilas altas (flexibles).

Leccin 1B.6.1

205

2.

LA ESTRUCTURA DE APOYO
Alas

Las pilas pueden ser de acero o de hormign. A menudo se opta por pilas de hormign armado, incluso en puentes de acero o mixtos. En algunos casos de pilas muy altas o las realizadas con segmentos de hormign prefabricado, puede utilizarse el hormign pretensado. Las pilas son de dos tipos bsicos: pilas columnas pilas de muro Por razones estructurales o estticas las columnas de hormign pueden tener una seccin maciza o una seccin en cajn (figura 2) . Las pilas de muro son generalmente menos econmicas y menos agradables desde el punto de vista esttico. Muy a menudo se adoptan en casos en que existen condiciones particulares, por ejemplo pilas en ros con una accin hidrodinmica importante o en puentes con pilas altas para las que se adoptan secciones de cajn. La seccin de las pilas puede ser constante o variable. La primera solucin se adopta generalmente en pilas pequeas o medias, mientras que la ltima se utiliza en pilas altas en las que al menos una de las dimensiones de la seccin vara con la longitud de la pila.

Muro frontal

Figura 3 Estribo de muro

Los estribos establecen la conexin entre la superestructura del puente y los terraplenes. Se proyectan para soportar las cargas debidas a la superestructura, que son transmitidas por los Figura 3 Estribo de muro aparatos de apoyo, y las presiones del terreno. Los estribos deben incluir juntas de dilatacin para acomodar los desplazamientos del tablero, es decir, los movimientos de contraccin y dilatacin del tablero debidos a la temperatura. Pueden considerarse dos tipos bsicos de estribos: estribos de muro (contrafuerte) estribos abiertos.
Leccin 1B.6.1

(a) Pilas de columna

(b) Pilas de muro

Los estribos de muro (figura 3 y 4) se adoptan solamente cuando las condiciones topogrficas y las formas del terrapln son tales que no se puede utilizar estribos abiertos (figura 5). Generalmente se adoptan cuando la altura requerida del muro frontal es superior a 5,0 e inferior a 8,0 m (figura 4). Si la altura es inferior a este orden de magnitud, los muros de contrafuertes pueden no ser necesarios, pudindose adoptar un simple muro que vuele desde los cimientos. La conexin entre los estribos y el terrapln puede incluir un forjado de transicin (figu-

Figura 2 Seccin transversal de pilas

206

LA ESTRUCTURA DE APOYO
Losa de transicin Unin

Apoyos

Figura 5 Estribo abierto

Figura 5 Estribo abierto

Leccin 1B.6.1

3 a 5m > 0,30m

ra 4) que asegura una superficie uniforme del pavimento incluso despus del asiento del terrapln adyacente.

Seccin A-A
Figura 4 Estribo de contrafuerte

Figura 4 Estribo de contrafuerte

Leccin 1B.6.1

207

3.

INTRODUCCIN A LA SUPERESTRUCTURA

En la terminologa de puentes suele distinguirse entre: el sistema estructural longitudinal el sistema estructural transversal. Debe entenderse que las estructuras de puentes son bsicamente sistemas tridimensionales que solamente se dividen en estos dos sistemas bsicos al objeto de entender su comportamiento y simplificar el anlisis estructural. El sistema estructural longitudinal de un puente puede ser de uno de los tipos siguientes, ilustrados en la figura 6: puentes de vigas puentes de prtico puentes en arco puentes atirantados puentes colgantes

20 m) a medias (20 - 50 m) o grandes (> 100 m). En luces medias y grandes, se adoptan muy a menudo vigas continuas con canto variable por razones de comportamiento estructural, de economa y de esttica (figura 1). Los puentes de prtio son una de las alternativas posibles a las vigas continuas (figura 6b). Evitando aparatos de apoyo y proporcionando un buen sistema estructural para soportar las acciones longitudinales horizontales, por ejemplo sesmos, en la tecnologa moderna de puentes se han adoptado prticos en puentes de

Soporte simple Modelos estticos

Tipo Gerber

de viga continua

(a) Puentes de vigas laminadas

Los tipos de vigas de alma llena incorporados a todos estos tipos de puentes pueden ser continuos (perfiles laminados, vigas compuestas o vigas en cajn), o discontinuos, es decir, vigas de celosa. Los puentes de vigas son el tipo ms comn y sencillo de puente (figura 6a), tanto si utilizan vigas determinadas estticamente (vigas sobre dos apoyos o vigas Gerber) como si utilizan vigas continuas. Las vigas sobre dos apoyos se adoptan por lo general solamente para luces muy pequeas (hasta 25 m). Las vigas continuas son uno de los tipos ms comunes de puente. Las luces pueden variar desde pequeas (10 -

Modelo analtico (b) Puentes en prtico

(c) Puentes en arco

(d) Puente atirantado

(e) Puente colgante

Figura 6 Sistemas estructurales longitudinales de puentes

Figura 6 Sistemas estructurales longitudinales de puentes

208

Leccin 1B.6.1

INTRODUCCIN A LA SUPERESTRUCTURA
hormign pretensado o en puentes de acero y mixtos. Los prticos pueden adoptarse con pilas verticales (el tipo ms comn) o con barras comprimidas inclinadas (figura 6b). Los arcos han desempeado un papel importante en la historia de los puentes. Se han construido algunos excelentes ejemplos, desde los arcos de albailera construidos por los romanos hasta los arcos modernos de hormign pretensado o de acero con luces del orden de los 300 m. El arco puede trabajar desde debajo del tablero, desde encima del tablero o en posicin intermedia al nivel del tablero (figura 6c). La solucin ms conveniente depende bsicamente de la topografa local. En gargantas rocosas y con buenas condiciones geotcnicas para los arranques, un puente en arco del tipo representado en la figura 6(c) es generalmente la solucin ms apropiada tanto desde el punto de vista estructural como esttico. Los arcos trabajan bsicamente como una estructura sometida a compresin. La forma se escoge para minimizar los momentos flectores bajo cargas permanentes. La fuerza resultante de las tensiones normales en cada seccin debe permanecer dentro del alma central del perfil a fin de evitar tensiones de traccin en el arco. Los arcos son las estructuras ideales para construir con materiales que son resistentes a compresin pero dbiles a traccin, por ejemplo el hormign. El arco invertido ideal en su forma ms simple es un cable. Los cables se adoptan como elementos estructurales principales en los puentes colgantes cuando el cable principal soporta cargas permanentes e impuestas sobre el tablero (figura 6(e)). Para resistir las fuerzas de anclaje del cable se requieren buenas condiciones de apoyo. En los ltimos aos se ha utilizado una forma ms sencilla de puentes de cables: el puente atirantado o de cables inclinados. Los puentes de cables inclinados (figura 6(d)) se han utilizado para luces generalmente entre 100 m y 500 m, cuando el puente colgante no constituye una solucin econmica. El abanico de luces para los puentes de cables inclinados es muy diferente del abanico habitual de luces para los puentes colgantes, de 500 m a 1500 m. Los puentes de cables inclinados pueden utilizarse con un tablero de hormign o de acero. Generalmente, los puentes de cables inclinados se proyectan con tableros muy esbeltos soportados continuamente por los vientos, que estn formados por varios alambres de acero de alta resistencia. Pueden considerarse tres tipos principales de sistema estructural transversal: losa viga-losa (losa con vigas de alma llena transversales) vigas en cajn para el sistema estructural longitudinal que contribuye al sistema estructural transversal. Las secciones transversales de losa slo se adoptan para luces pequeas, generalmente inferiores a 25 m, o cuando se utilizan vigas mltiples para el sistema estructural longitudinal, con separaciones de 3 - 4,5 m. Las secciones transversales de viga-losa (figura 1) se adoptan generalmente para luces medias inferiores a 80 m, cuando slo se utilizan dos vigas de alma llena longitudinales. Para luces grandes (> 100 m) y tambin para algunas luces medias (40 - 80 m), las vigas en cajn son una solucin muy conveniente que produce estructuras de puentes con un buen comportamiento estructural y estticamente agradables. Las vigas en cajn se utilizan en puentes de hormign pretensado, de acero o mixtos.

209

4.

PUENTES DE ACERO

100
250

2% 500
1790 500

4.1 Aspectos generales

Durante la revolucin industrial del siglo XIX, los productos de 4790 4790 10000 acero se hicieron ms competitivos y el acero empez a ser adoptado para la construccin de Figura 8 Puente de vigas armadas con dos vigas y luz mxima de 71 m puentes. Desde entonces Resulta interesante observar que uno de se desarrollaron grandes puentes de celosaPuente de vigas armadas con Figura 8 y puentes colgantes. Lamentablemente, este mxima de 71m comunes de puente de acero dos vigas y luz los tipos ms moderno -el puente de viga en cajn- fue Leccin 1B.6.1 introdesarrollo se vio acompaado de algunos acciducido inicialmente en 1846 por Stephenson, dentes, por ejemplo el del puente de ferrocarril con el puente Britannia (un puente de viga en sobre el Tay-Firth de Forth Bridge [1] en 1879 y cajn de fundicin con una luz de 142 m), aunel puente de Quebec en 1907. El primero fue que no se desarroll por completo hasta desreconstruido en 1890, con luces de 521 m; el pus de la Segunda Guerra Mundial. Se utilizapuente de Quebec no fue reconstruido hasta ron los conocimientos de ingeniera aeronutica 1917. referidos a estructuras de pared de poco espesor. Entre 1969 y 1971 se produjeron varios acciSe han adoptado ampliamente vigas de dentes en puentes de vigas en cajn, por ejemcelosa o arcos construidos mediante sistemas plo el puente de Viena sobre el Danubio (1969), de cerchas. En la figura 7 se muestra un ejemplo el puente de Milford Harven en el Reino Unido de puente en arco-celosa proyectado por G. (1970), el puente de Melbourne en Australia Eiffel (el proyectista de la famosa torre de Pars). (1970) y el puente de Coblenza en Alemania Este puente, construido en 1868 en Oporto sobre el ro Duero, Portugal, tiene una luz central (1971). Como resultado de ello, en las ltimas dos dcadas se ha realizado un gran esfuerzo de 160 m. para investigar el elemento estructural bsico de estos puentes: la chapa rigidizada. En la actualidad el comportamiento de las chapas rigidizadas es lo suficientemente conocido como para proyectar puentes en acero de vigas en cajn grandes y seguros. Se presta una consideracin 160,0m especial durante las fases de montaje y ejecucin a todos los Figura 7 Puente Da. Maria Pia 7 Puente Da. Maria Pia Figura aspectos de la estabiliLeccin 1B.6.1 dad estructural.

210

PUENTES DE ACERO
Para las superestructuras de puentes de acero se adoptan tres tipos bsicos de elementos estructurales: Vigas y vigas armadas Vigas de celosa Vigas en cajn Muy a menudo se prefieren los puentes de vigas armadas con slo dos vigas, incluso para tableros muy anchos (figura 8), en aras de la sencillez [2]. Sin embargo, en la construccin de puentes, una solucin clsica consiste en adoptar varias vigas en I (perfiles laminados en caliente para luces pequeas, hasta 25 m), con una separacin de entre 3,0 y 4,5 m. Pueden incorporarse diafragmas entre las vigas (vigas transversales) para contribuir a la reparticin de la carga transversal y al arriostramiento lateral. Las alas superiores de las vigas tienen un apoyo lateral continuo contra el pandeo, proporcionado por el tablero.

4.2 Sistemas de tablero

Existen dos soluciones bsicas para el tablero [3]: una losa de hormign armado o de hormign pretensado parcialmente o una chapa

30-40 cm

60-70cm

1-2m

1,5-4,5m

Figura 9 Tableros de chapa ortotrpica y hormign armado

Figura 9 Tableros de chapa ortotrpica y hormign armado

211

848m 200m 300m 200m

Canal de navegacin 270m x 60m

(a) Alzado

25,90m

6,86

3,17 3,17

6,86

(b) Seccin transversal de la superestructura cerca de las pilas centrales

(c) Seccin transversal de la superestructura en el centro del vano

Figura 10 Puente Niteroi (Brasil): [4]

Figura 10 Puente Niteroi (Brasil) : [4]

placa y las vigas sea absorbido por los conectoLeccin 1B.6.1 res. Los tableros de hormign resultan generalmente ms econmicos que las chapas de acero ortotrpico y estas ltimas solo se adoptan

de acero ortotrpico (figura 9). En el primer caso, la losa puede actuar independientemente de las vigas (una solucin muy poco econmica para luces medias y grandes) o trabajar junto con las vigas (tablero de puente mixto). La accin conjunta requiere que el flujo de cortante entre la

212

PUENTES DE ACERO

70,7

80

120 Alzado

290

120

80

22,40

3,50

Seccin transversal de la superestructura 3,30

70,70 95,10 24,40 5,00 Vistas de las torres 31,45

Figura 11 Puente Faro (Dinamarca) :[5]

Figura 11 Puente Faro (Dinamarca): [5]

cuando el peso del tablero es un componente importante de la carga, es decir, para puentes de gran luz y mviles.

El tablero de chapa ortotrpica, que acta como el ala Leccin 1B.6.1 vigas princisuperior de las pales, proporciona una seccin muy eficiente a

213

162,5m 30m

C L

1,380m 1,410m 530m

C L

280m

Alzado

que pueden ser de seccin abierta o cerrada. Transversalmente, los nervios se conectan mediante las vigas transversales (figura 9), con el resultado de un sistema de emparrillado complejo en el que las vigas principales, la chapa de acero, los nervios y las viguetas actan conjuntamente.

Las alas superiores de las vigas en cajn, por ejemplo en el puente Niteroi (figura 10) con una luz de 300 m [4] (el puente de vigas de cajn ms grande del mundo) o en el tablero de los puentes de cables inclinados (figura 11) [5] o en puentes colgantes como el puente Humber (figura 12) con una superficie de desgaste ligera, producen un puente con una carga permanente muy Tablero del puente: seccin transversal baja que constituye una solucin muy adeTorres cuada para luces gran(Hormign armado) des [4,8]. El mayor inconveniente de los tableros de chapa de Figura 12 Puente Humber: [4,8] acero ortotrpica es su Figura 12 Puente Humber: [4,8] coste inicial y el manflexin. El tablero consiste bsicamente en una tenimiento que requieren en comparacin con chapa de acero superpuesta con una superfiuna losa simple de hormign. No obstante, cie de desgaste que puede ser de hormign o para las vigas en cajn, el coste de manteniLeccin 1B.6.1 de asfalto de masilla. La chapa de acero se miento puede ser menor que para un tablero rigidiza longitudinalmente mediante nervios ortotrpico abierto.

214

PUENTES DE VIGAS ARMADAS

5. PUENTES DE VIGAS ARMADAS
hasta 60 m, las vigas mltiples con separaciones de 3 a 4,5 m permiten utilizar una simple losa de hormign armado, tal como muestra la figura 13(a). Para luces medias (50 a 100 m), normalmente resulta ms econmico utilizar slo dos vigas armadas (figura 13(b)). Puede utilizarse una losa de hormign pretensado, normalmente de canto variable, que se asienta directamente sobre las dos vigas. Alternativamente, pueden adoptarse travesaos con dos vigas longitudinales que dan apoyo a las losas con una separacin de entre 3 y 4,5 m entre ejes. La complejidad del trabajo de taller de la viga armada se controla principalmente mediante la esbeltez del alma (relacin canto/espesor). Para luces pequeas resulta viable una esbeltez baja con un alma no rigidizada, salvo en las posiciones de los apoyos transversales y de los apoyos principales. Para luces medias, el alma tendr que ser normalmente de una esbeltez intermedia y requerir rigidizacin vertical (transversal). Para luces grandes, el alma requerir probablemente rigidizacin transversal y longitudinal, tal como se muestra en la figura 13(b). La distancia entre los rigidizadores transversales es del orden de magnitud del canto de la viga. Cuando son necesarios, normalmente se incorporan entre 1 y 3 rigidizadores longitudinales.

Los puentes de vigas armadas pueden constituir una solucin muy competitiva para puentes de luz pequea o media. Casi siempre se proyectan para actuar conjuntamente con una losa de hormign. Las vigas compuestas se realizan con dos alas soldadas a un alma delgada que normalmente tienen rigidizadores transversales y pueden tener rigidizadores longitudinales. Pueden utilizarse tres tipos para secciones transversales de puentes. Para losas pequeas,

(a)

(b)
Figura 13 Vigas compuestas para puentes mixtos Figura 13 Vigas compuestas

para
Leccin 1B.6.1

puentes mixtos
215

 proporciona estabilidad lateral a las vigas, en particular durante la ejecucin soporta los esfuerzos de cizallamiento horizontales debidos a acciones horizontales (viento, sesmos) trabaja como un sistema de reparticin de la carga transversal. participa en los flujos de cizallamiento debidos a la torsin por carga excntrica o curvatura del plano. El sistema de arriostramiento incluye generalmente: arriostramiento lateral horizontal prticos transversales intermedios - diafragmas El primero (figura 14) consiste en un conjunto de barras diagonales cruzadas y se sita junto a las alas inferiores o junto a las alas superiores e inferiores; el tablero del puente puede actuar como arriostramiento horizontal. Los segundos son un conjunto de arriostramientos perpendiculares al eje del puente (figura 13) que proporcionan resistencia a la deformacin de todas las secciones transversales del puente. En la construccin moderna de puentes Figura 14 Sistema de arriostramiento en puente de viga se han intentado varias simplificaciones para armada en curva reducir, en lo posible, la complejidad de los sistemas de arriostramiento. En algunos casos, el Figura 14 Sistema de arriostramiento en En las secciones puente de viga armada en sobre los apoyos, es sistema de arriostramiento horizontal situado esencial adoptar rigidizadores verticales para junto a las alas inferiores se ha eliminado. La lticurva. las altas fuerzas de reaccin. resistir ma simplificacin consiste en eliminar completaLeccin mente los prticos transversales intermedios. 1B.6.1 Uno de los requisitos bsicos al proyectar Esto slo es posible si la estabilidad lateral de puentes de vigas armadas es el sistema de arrioslas vigas est garantizada y si los esfuerzos horitramiento (figura 13b y 14), necesario siempre salvo zontales son recogidos por otros elementos de la para las estructuras ms simples. El arriostramiento: superestructura.

216

PUENTES DE VIGAS DE CELOSA

6. PUENTES DE VIGAS DE CELOSA
37,5m 45,0m 37,5m

En algunos casos puede adoptarse una viga de celosa como alternativa a la viga compuesta. Aunque en la construccin moderna se utilizan con menor frecuencia debido a su alto contenido de trabajo de taller, puede ser una solucin econmica para luces grandes, digamos entre 100 y 200 metros. Una viga de celosa plana puede considerarse como una viga de gran canto en la que las alas son los cordones de compresin y traccin de la celosa y el alma de la viga se sustituye por un sistema triangular abierto que resiste los esfuerzos de cizallamiento. En el proyecto de puentes se utilizan varios tipos de vigas de celosa. En la figura 15 se muestran algunos ejemplos tpicos. Pueden adoptarse vigas de celosa en tramos libremente apoyados (figura 15) o en tramos continuos (figura 16 y 17). Los sistemas de arriostramiento son necesarios en los puentes de vigas de

Alzado

5500

C L
3750

Seccin transversal

Figura 16 Vigas de celosa Warren para Figura 16 Vigas de celosa Warren para puente de ferrocarril puente de ferrocarril
celosa slo ya que estas slo pueden resistir esfuerzos en sus planos.

Warren

Las vigas de celosa que trabajan1B.6.1 Leccin desde encima del tablero (figura 16) se han utilizado ampliamente en los puentes de ferrocarril, incluso para luces medias del orden de 40 a 100 metros [6]. Desde un punto de vista esttico, es importante reducir en lo posible el nmero de elementos de barra en la viga de celosa. Si es posible, el sistema triangular ms sencillo (tipo Warren) produce el mejor aspecto cuando se mira el puente desde ngulos sesgados (figura 16).
K

Pratt

Howe

Figura 15 Tipos de viga celosa

Los cordones de celosa y las diagonales se realizan mediante perfiles laminados en caliente, generalmente de forma abierta para simplificar las

Figura 15 Tipos de viga celosa

Leccin 1B.6.1

217

78,95m 91,15m

107,00m

142,95m

107,00m

91,15m 78,95m

1,75m

9,00m

1,75m

6,00m

6,00m

Figura 17 Puente sobre ro Fulda (Alemania)

conexiones. No obstante, pueden utilizarse tubos estructurales, por ejemplo para los cordones. En la figura 17 se muestra el ejemplo de un puente sobre el ro Fulda en Kassel,

Figura 17 Puente sobre ro Fulda (Alemania)

Alemania [7]. En este puente se utiliz una celosa tipo Warren con una relacin luz mxima/canto de 23,8. El tablero es una chapa ortotrpica que reduce el peso propio de la superestructura.

Leccin 1B.6.1
218

PUENTES DE VIGAS CAJN

7. PUENTES DE VIGAS CAJN

Para luces grandes (digamos superiores a 100 m) la vigas en cajn son, en general, el tipo de superestructura de puente ms comn y eficiente. Construidas con un tablero de chapa ortotrpica para reducir el peso propio del puente o con una losa de hormign para obtener una seccin transversal mixta, las vigas en cajn presentan numerosas ventajas estructurales en comparacin con las vigas compuestas y las vigas de celosa. Algunas de las ventajas son: alta rigidez torsional

Figura 19 Viga cajn de una celda con puntales inclinados

amplio espacio interno para acomodar servicios mantenimiento sencillo debido a la facilidad de acceso al interior de la superestructura mejor aspecto debido a la gran esbeltez y a la suavidad de las superficies inferiores. Debido a la alta rigidez torsional de este tipo de seccin transversal, las vigas en cajn resultan una solucin muy conveniente para puentes de planta curva. Para luces grandes, el canto de las vigas cajn continuas puede variar a lo largo del tramo, mejorando la eficiencia estructural para acomodar el gran momento flector en los apoyos (figura 10). La seccin transversal puede estar formada por una caja de una sola clula con almas verticales o inclinadas, o por una caja de clulas mltiples (figura 18). Otras posibilidades consisten en utilizar, por ejemplo, una nica clula con barras comprimidas inclinadas para el apoyo de grandes voladizos (figura 19). Para luces medias, un tipo muy comn de tablero de vigas en cajn en la construccin de

alas superiores e inferiores anchas susceptibles de soportar esfuerzos longitudinales

Figura 18 Vigas cajn de una y varias celdas

219
Figura 18 Vigas cajn de una y varias celdas
Leccin 1B.6.1

Figura 20 Puente mixto de viga cajn mltiple

miento superior entre las alas superiores y/o un arriostramiento transversal diagonal entre las almas resulta generalmente conveniente para superar los efectos de deformacin durante la ejecucin. El arriostramiento en cruz de San Andrs puede consistir en pequeos angulares soldados a los rigidizadores de chapa.

El uso de vigas en cajn compuestas en puentes anchos con grandes luces es posible con cajones de una sola clula. Pueden utilizarse travesaos internos, no slo para mantener la forma de la seccin (evitando la deformacin) sino tambin para soportar largueros longitudiLas dos alas asociadas con cada alma en nales para la losa de hormign armado. En la los puentes mixtos de vigas en cajn pueden ser Figura 20 Puente mixto de viga cajn mltiple figura 23 se muestra una solucin de este tipo bastante estrechas, ya que slo deben transmi[7]. tir la carga al alma y acomodar los conectores. Por lo tanto, puede definirse una anchura mniP P P P P e c c t t ma del ala mediante distancias a los Leccin 1B.6.1 bordes y holguras para la soldadura automtica de los conectores. + = Los diafragmas de apoyo son necesarios en los soportes para transmitir las fuerzas de reaccin. Adems, incluso en vigas en cajn Carga excntrica pequeas, resulta conveniente adoptar prticos transversales intermedios (digamos con una separacin de entre 10 y 15 m) para evitar la P P c c deformacin de la seccin debida a cargas excntricas (figura 21). Cabe sealar que durante la construccin, algunas vigas en cajn tie+ = nen las secciones abiertas y, por ello, quedarn sujetas a deformacin por carga excntrica. En la figura 22 se resumen las deformaciones que Distorsin flectora Flexin pueden ocurrir en los cajones con la parte superior abierta durante la construccin. Un arriostraP t P t

puentes, por ejemplo en Norteamrica, es el formado por varios cajones paralelos interconectados por una losa de hormign armado (figura 20). La accin conjunta entre las vigas en cajn y la placa de hormign armado se obtiene mediante conectores.

Torsin no uniforme
Figura 21 Prticos transversales intermedios para evitar la distorsin en vigas cajn

Distorsin debida a torsin

Figura 22 Componentes de carga Figura 22 Componentes de carga simtricos y disimtrisimtricos ycos y efectos de deformacin disimtricos y efectos de deformacin

220

Leccin 1B.6.1

PUENTES DE VIGAS CAJN

43,0m

64,0m

73,15m

73.15m

64,9m

54,9m 44,8m

1,8m

9,00m

1,7m

9,00m

1,8m

4,50m

4,30m

3,30m

4,05m

4,05m

3,30m

4,30m

Figura 23 Puente Wuppertal (Alemania)

Para grandes luces es preferible un tablero de chapa ortotrpica para reducir la carga permanente de los puentes de vigas en cajn. En la figura 24 se muestra una solucin con un puente de vigas en cajn rectangulares con un tramo principal de 200 m, representado por el puente Europa en Austria [7]. La utilizacin de vigas en cajn no se limita a los puentes de vigas. En puentes de cables inclinados se han utilizado vigas en cajn esbeltas con tableros de chapa ortotrpica (figura 11). Aunque, en los ltimos aos, los tableros de vigas en cajn de hormign han demostrado ser

Figura 23 Puente Wuppertal (Alemania)

una solucin econmica para algunos puentes de cables inclinados, las vigas en cajn de acero son la solucin ms conveniente para luces grandes. Comparados con las secciones abiertas, los tableros de vigas en cajn en los puentes de cables inclinados presentan una importante ventaja en lo que se refiere a la estabilidad aerodinmica. La ventaja est asociada a una mayor frecuencia natural de la vibracin torsional del tablero, que evita una interaccin con el modo fundamental correspondiente a las vibraciones verticales (solicitacin a Leccin 1B.6.1 de flexin). Los riesgos inestabilidad por oscilacin quedan as eliminados.

221

4,05%

189.90 m

81,10 107,90 m

198,10 m

107,90 m 81,10 81,10

1,45 m

8,30 m

0,40 m

10,60 m

1,45 m

1,5%

1,5%

7,70 m

9,85 m
Figura 24 Puente Europa (Austria)

Por razones similares a las expuestas para los puentes de cables inclinados, en los puentes colgantes modernos se han adoptado las vigas en cajn de acero esbeltas con tableros de chapa ortotrpica.

En la figura 12 se muestra la seccin del puente Humber, en el que se adopt una viga en cajn de acero con un peso de 2,6 kN/m2 solamente. Las mismas ventajas aerodinmicas apuntadas para los tableros de vigas en cajn de los puentes de cables inclinados son vlidas para los puentes colgantes.

222

BIBLIOGRAFA
8. RESUMEN FINAL 9. BIBLIOGRAFA

Al decidir el tipo de puente que se debe utilizar en un lugar en particular debe considerarse una amplia gama de factores, por ejemplo luces, procesos de ejecucin, condiciones locales, exigencias para los cimientos. Por lo general, los puentes de acero presentan las ventajas siguientes: menores cargas permanentes, cimientos econmicos, mtodos de montaje simples, menores tiempos de ejecucin. Las partes bsicas de un puente son la superestructura, consistente en la estructura del tablero, y la subestructura consistente en las pilas, los estribos y los cimientos. El sistema longitudinal de un puente puede ser de uno de los tipos siguientes: viga, prtico, arco, cables inclinados o colgante. Existen tres tipos principales de sistemas transversales de puentes, losa, viga-losa o viga en cajn. Las superestructuras de puentes pueden utilizar los sistemas estructurales de vigueta y viga compuesta, viga de celosa o viga en cajn. Los sistemas de tablero utilizan una losa de hormign armado, con o sin vigas transversales, o una losa de hormign pretensado parcialmente, o una chapa de acero ortotrpica.

[1] Wittfoht, H., Triumph der Spannweiten, (Spanish ed. Puentes Ejemplos Internacionales) Ed. Gustavo Gili, Barcelona, 1975. [2] Vevey, Bulletin Technique, 1978. [3] Alvarez, R., La estructura metlica hoy, Librera Tcnica Bellisco, 1975. [4] Pfeil, W., Pontes Ed. Campus Ltd, Rio de Janeiro, 1983. [5] Walther, R., Ponts Haubans, Presses Polytechniques Romandes, 1985. [6] Reis, A. and Abecasis, T., Railway Bridge over the River Zezere, preliminary Design Report, Grid Consulting Engineers, 1990. [7] OConnor, C., Design of Bridge Superstructures, John Wiley & Sons, 1971. [8] Gimsing, Niels, Cable Supported Bridges, John Wiley & Sons, 1983. Nota: Al final de la leccin 2.6.2 se facilita una lista ms amplia de bibliografa.

223

ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.6.2: Introduccin al Proyecto de Puentes de Acero y Mixtos: Parte 2

225

OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Continuar con la introduccin a los puentes de acero y mixtos. Describir pasarelas, puentes mviles y puentes de servicios. Proporcionar una gua inicial en la seleccin de la forma y la luz del puente. RESUMEN Esta leccin contina con la introduccin a los puentes de acero y mixtos iniciada en la leccin 2.6.1. Describe tres tipos de puentes especiales, destacando algunas de las caractersticas del proyecto. Los puentes peatonales son estructuras estrechas, de carga ligera, frecuentemente en lugares visualmente sensibles. Los puentes mviles estn sujetos a exigencias particulares de geometra y masa. Los puentes de servicios ofrecen la oportunidad de realizar un proyecto innovador. La leccin concluye con alguna orientacin sobre la seleccin apropiada de la forma del puente y sobre la determinacin de los vanos ptimos para los viaductos.

CONOCIMIENTOS PREVIOS Leccin 2.6.1: Introduccin a los Puentes de Acero y Mixtos (I)

LECCIONES AFINES Lecciones 18: Sistemas Puentes Estructurales:

227

1.

INTRODUCCIN

En la leccin 2.6.1 la atencin se concentr tanto en los principales parmetros del diseo como en las diversas formas estructurales que el proyectista puede considerar cuando realiza el proyecto preliminar o conceptual de un puente. Se puede afirmar, sin temor a equivocarse, que la gran mayora de los puentes son estructuras fijas que soportan una carretera o una va de ferrocarril y resulta fcil

darse cuenta de cmo los tipos de estructuras comentados pueden utilizarse en la construccin de aquellos. En esta segunda parte de las lecciones 2.6, se prestar atencin, en primer lugar, a las consideraciones particulares que afectan a algunos tipos especiales de puentes. Se discutirn tres tipos: puentes peatonales, puentes mviles y puentes de servicios (conductos, etc.). Asimismo se facilita alguna orientacin sobre la eleccin del tipo y el vano del puente.

228

PASARELAS PEATONALES
2. PASARELAS PEATONALES
libre grande y, entonces, la rigidez de la estructura deviene en una circunstancia que requiere especial consideracin. Adems estos puentes quedan, muchas veces, claramente a la vista del

Las pasarelas peatonales son estructuras erigidas para proporcionar a los viandantes paso a travs de vas de trfico o algn otro obstculo fsico como puede ser un ro. En comparacin con los puentes de carretera o de ferrocarril, las cargas que soportan son bastante modestas y, en la mayora de los casos, se requiere una estructura muy ligera. Sin embargo, requieren con frecuencia una luz Figura 2 Tpicos requisitos de acceso para puentes peatonales

pblico y, por ello, su esttica merece una atencin especial. El acero ofrece formas de construccin econmicas y atractivas que se ajustan a los requisitos que se le exigen a una pasarela peatonal. En la figura 1 se muestran vistas esquemticas de varias formas estructurales de acero. Al igual que cualquier otro puente, las pasarelas deben ser lo suficientemente largas para superar el obstculo que se debe cruzar y lo suficientemente altos para no interferir en lo que discurra por debajo de ellas. Sin embargo, el acceso a una pasarela peatonal es a menudo muy diferente del de un puente de carretera: no hay necesidad de una alineacin horizontal suave (es ms, puede que se prefiera una va de acceso escarpada en ngulo recto al tramo). La continuidad estructural es, por lo tanto, menos frecuente: el tramo principal est a menudo libremente apoyado. En las pasarelas peatonales, se especifican, frecuentemente, accesos adecuados para sillas de ruedas y bicicletas (vase la figura 2). Deben, entonces, incor-

Figura 1 Ejemplo de puentes peatonales sobre autopistas

229

porarse rampas, limitando al mnimo su pendiente. La longitud de las rampas, cuando el acceso se efecta desde el nivel de la calle sobre la cual se extiende el puente, puede ser mucho mayor que el propio puente. La forma de construccin adecuada para las rampas puede tener una influencia dominante sobre la forma del puente. Como se muestra en la figura 3, la anchura de una pasarela peatonal es normalmente bastante modesta, justo lo suficiente para permitir el paso libre de peatones en ambas direcciones. Ocasionalmente, el puente dispondr de carriles separados para peatones y ciclistas, en cuyo caso deber ser ms ancho. Se incorporan barandillas para la seguridad de los peatones y del trfico que pasa por debajo. Las pasarelas peatonales sobre vas de ferrocarril pueden necesitar barandillas ms altas e incorporar slidos paneles directamente sobre las vas de tren.

Figura 3 Tpicas secciones transversales bsicas para puentes peatonales

230

PUENTES MVILES
3. PUENTES MVILES
permitir el paso de los barcos. La ventaja principal es que el coste de construccin de un puente mvil es casi invariablemente mucho menor que el de un puente de nivel alto (y muchsimo menor que de la otra posibilidad, un tnel). Adems, en un terreno llano para el cual se establece la comparacin, un puente de nivel alto puede ser visualmente muy molesto. El inconveniente principal de un puente mvil, naturalmente, son los retrasos que impone al trfico cuando el puente se abre para dejar pasar a los barcos; otros inconvenientes son la necesidad de manipulacin y mantenimiento del sistema de apertura, el riesgo de averas con las consiguientes interrupciones del trfico fluvial o rodado y el riesgo de colisin de los barcos causando daos a la estructura. Cuando la carretera y la va navegable son rutas principales, puede que no haya alternativa a un puente de nivel alto o a un tnel. Sin embargo, cuando es aceptable un elemento de retraso se suelen utilizar puentes mviles. Holanda y las regiones orientales llanas del Reino Unido son dos regiones en las que existen muchas estructuras de este tipo. El proyecto de puentes mviles es un tema altamente especializado y slo puede abarcarse muy brevemente en los trminos generales de esta leccin. Los puentes mviles modernos sern probablemente de uno de estos tres tipos (basculante, giratorio o levadizo), siendo tal vez los basculantes los ms comunes. A continuacin se comentan brevemente las caractersticas principales de cada uno de ellos.

3.1 Generalidades
En un terreno llano, un puente fijo, de carretera o ferrocarril, sobre una va de agua navegable, requerir una obra de acceso al puente muy larga. Incluso una autova tpica con una pendiente limitada del 4% requerir una longitud de accesos al puente de 750 m a cada lado para una altura de 30 metros (no es una cifra inusual para un curso de agua en el que pueden navegar barcos de altura). A ello se aadira la altura de construccin del puente. Para un puente de ferrocarril, con sus menores pendientes, la longitud sera an mayor. Una alternativa es mantener el puente en un nivel bajo y disearlo para que se abra para

3.2 Puentes basculantes

Un puente basculante consiste en dos brazos en mnsula (o batientes) que pivotan sobre ejes horizontales en pilas de estribo

Figura 4 Tipo de puente basculante

231

(figura 4a, b y d) o se desplazan hacia atrs sobre una va (figura 4c). Normalmente, estos puentes sobre vas de tren o carreteras importantes se construyen con un solo batiente, puesto que entonces se comportan como vigas libremente apoyadas para soportar cargas de trfico; si se utiliza una configuracin de doble batiente, incluso las cargas del trfico son soportadas por estructuras en mnsula que, en consecuencia, deben tener una construccin mucho ms resistente. La ventaja principal de un puente basculante es su eficiencia en el funcionamiento. Los batientes basculantes se elevan y descienden rpidamente y, para el paso de embarcaciones pequeas, slo es necesario elevarlas parcialmente, lo que acelera an ms el funcionamiento. Adems, a diferencia del puente giratorio,

(vase el punto 3.3) funcionan dentro del rea protegida de la estructura. Un inconveniente del puente basculante de rtula simple, tal como se muestra en las figuras 4 (a) y (b), es que la masa de la mnsula debe equilibrarse mientras pivota a fin de mantener los requisitos de energa dentro de un nivel razonable. Esto significa un tramo posterior importante, con una pila de estribo muy profunda para acomodarlo una vez elevado, o el uso de un contrapeso muy substancial. Este problema se resuelve en parte con el tipo de puente levadizo holands (figura 4(d)) en el que el contrapeso se monta en una estructura elevada y, as, no necesita estribos profundos para acomodarlo. Otro inconveniente es la gran cantidad de energa necesaria para su funcionamiento en condiciones meteorolgicas adversas. Un viento fuerte que sople a travs de un ro puede provocar fuerzas muy grandes sobre los batientes basculantes y la carga de nieve incrementar la masa elevada sin contrapeso alguno que la compense; otras demandas vienen de los sistemas de accionamiento y frenado. Naturalmente, debe sealarse que la alta reserva de energa necesaria en estas condiciones contribuye materialmente al funcionamiento eficaz en condiciones normales. Aunque estructuralmente eficaz en la mayora de los lugares, un puente basculante ancho puede presentar problemas en cruces altamente sesgados, ya que la forma no simtrica de los batientes produce fuerzas no equilibradas durante la elevacin.

3.3 Puentes giratorios

Un puente giratorio pivota sobre un eje vertical hasta que la superestructura se alinea dejando va libre a los barcos (figura 5). La

Figura 5 Puente giratorio

232

PUENTES MVILES
ventaja principal de un puente giratorio es que probablemente sus necesidades de energa son ms bajas que las de cualquier otro tipo de puente mvil. Si el puente es simtrico (brazos giratorios de igual longitud), los efectos del viento durante el giro son pequeos, ya que se equilibran ampliamente en ambos brazos, mientras que la carga de la nieve no requiere energa adicional; el aumento de la inercia slo provoca un ligero incremento del tiempo de giro debido a la menor aceleracin y frenado. Estructuralmente, un puente giratorio es eficaz en la medida en que puede construirse como una viga simple (de alma llena o de celosa) que queda en voladizo a cada lado de la pila de pivote durante el giro, pero que reposa sobre los estribos formando una viga continua de dos vanos cuando soporta trfico; si el vano del voladizo durante el giro es excesivo, resulta comparativamente ms fcil proyectarlo como configuracin de cables inclinados con una torre sobre la pila de pivote. La funcin principal de los vientos es soportar la carga permanente durante el giro. Un cruce al sesgo no es ningn problema para un puente giratorio; al contrario, puede ser incluso una ventaja, ya que reduce el arco de giro. vamente innecesario y la estructura adicional resulta costosa. El coste estructural adicional puede minimizarse acortando el tramo posterior y contrapesndolo, pero ello reducir algunas de las ventajas citadas anteriormente; por ejemplo, la carga del viento ya no se compensar y por lo tanto se necesitar ms energa para accionar el puente con viento fuerte. Adems, la carga de la nieve aplicar una carga vertical no compensada sobre la estructura. Quiz el lugar ideal para un puente giratorio sea un ro con una isla exactamente en medio y canales de navegacin a cada lado!

3.4 Puentes levadizos

En los puentes levadizos el tramo se eleva sobre torres en cada extremo para despejar el canal de navegacin (figura 6). Estructuralmente, los puentes levadizos son muy eficientes, ya que son tramos libremente apoyados, tanto en servicio como durante la operacin de elevacin. Se proyectan como vigas (de alma llena o de celosa) y, puesto que no deben funcionar como mnsulas en ninguna condicin, pueden proporcionar luces de apertura mucho mayores que los puentes basculantes o giratorios.

Los principales inconvenientes de un puente giratorio son el tiempo comparativamente mayor necesario para girar de una posicin a otra y la gran superficie necesaria para acomodar la estructura cuando el puente est abierto para la navegacin; una vez girado, evidentemente, tiene la ventaja de que el espacio libre vertical (el tiro de aire) es ilimitado. Normalmente, un puente giratorio deber girar completamente para cualquier barco, cualquiera que sea el tamao de ste, puesto que una apertura parcial provocara el riesgo de que el barco golpeara la estructura. Adems, puesto que normalmente slo existe un canal de navegacin, el tramo posterior es operati- Figura 6 Puente levadizo

233

El principal inconveniente de un puente levadizo es que slo puede dar la altura que den las torres; as, si se necesitan alturas muy grandes, la torres resultan muy costosas. No obstante, al igual que con los puentes basculantes, no es necesario elevar completamente el tablero para barcos pequeos, lo que mejora la eficiencia de funcionamiento. Adems, aunque evidentemente el peso propio del tablero levadizo estar contrapesado, el sistema de accionamiento debe prever la posibilidad de presencia de nieve durante la elevacin.

3.5 Otros tipos de puentes mviles

Otros tipos de puentes mviles que se han utilizado en el pasado (y ocasionalmente en el presente) son:

Puentes flotantes, en los que una seccin puede botarse sobre pontones para permitir el paso de los barcos. Puentes transportadores, en los que un vagn que transporta vehculos se suspende de un carro de puente-gra sobre una viga, y la cruza, a una altura suficiente para dejar paso a la navegacin. Puentes deslizantes, en los que la estructura del puente se desliza hacia atrs desde el ro en lnea con ella misma. Todos estos tipos de puentes presentan graves inconvenientes operativos y de otros tipos para casi todas las aplicaciones de hoy en da.

234

PUENTES DE SERVICIOS
4. PUENTES DE SERVICIOS
simple viga de celosa ligera, aunque las consideraciones estticas pueden llevar a desestimarla en ciertos lugares. Una variacin interesante de la simple viga de celosa se ha empleado ocasionalmente para servicios que requieren conductos, por ejemplo gas o agua. Se trata de utilizar los tubos de conduccin como cordones; un ejemplo de ello es una viga de celosa tridimensional de seccin triangular que conduce gas a alta presin en sus cordones (figura 7); este tipo de estructura presenta un pequeo problema por cuanto los cordones tubulares dan pie a un cierto nivel de excitacin aerodinmica y, aunque esto puede no constituir un problema inmediato, podran aparecer efectos de fatiga a largo plazo. Esto ltimo se solucion con un sencillo cambio aerodinmico en la seccin. La utilizacin de estructuras de cables es tambin frecuente en los puentes de servicios. A veces el propio servicio los proporciona: un cable elevado de transmisin de energa elctrica es, en efecto, una amplia serie de tramos en que los conductores hacen de puente. En largos cruces de electricidad, puede ser necesario adoptar medidas especiales para eliminar toda tendencia a la oscilacin aerodinmica. Las estructuras de cables pueden tambin utilizarse para sujetar conductos cuando la longitud es demasiado grande para dejar el conducto sin apoyo. En tal caso, se han utilizado tanto los puentes colgantes como los puentes de cables inclinados, a veces utilizando el propio conducto como viga de rigidez y a veces disponiendo una viga separada. Sin embargo, es probable que, si se opta por un puente colgante, el peso propio ser tan bajo que la estructura ser inaceptablemente flexible. Adems, ser muy dbil en la direccin transversal cuando se someta a la carga del viento. Una forma

La mayora de los puentes, ya sean de carretera, ferrocarril o peatonales, sirven tambin para conducir algn servicio pblico (electricidad, telfono, agua, gas, etc.). Las previsiones que deben hacerse para llevar estos servicios vara segn el tipo de puente; por ejemplo, las vigas en cajn proporcionan un rea evidente para conducirlos (aunque debe tomarse las precauciones oportunas para prevenir accidentes; una viga en cajn inundada como consecuencia de la rotura de una conduccin interna de agua podra ser desastrosa!). En los puentes de vigas armadas se pueden conducir los servicios por el interior de las aceras o suspendidos de las vigas transversales, si las hubiera. En esta seccin, sin embargo, la atencin se centra en los puentes cuyo propsito exclusivo es nicamente conducir un servicio. Claramente, un puente de servicios puede ser de cualquiera de los tipos de puente fijos descritos, pero existen algunas consideraciones especiales. La carga es generalmente muy ligera en comparacin con el trfico rodado o ferroviario y, por lo tanto, presentan tambin algunos de los problemas de los puentes peatonales. Quiz la forma ms comn de puente de servicio es una

Figura 7 Puente de celosa para tubera de gas

235

Figura 8 Puente colgante para tubera de gas

sencilla de corregir ambos defectos es introducir dos cables adicionales en cada lado del conducto (o en la vigueta separada si existe), inclinados hacia atrs desde el conducto y tensados contra

el cable principal de suspensin (figura 8). Esta forma de estructura es muy ligera y adecuada para utilizarla en reas donde el acceso es difcil para transportar piezas pesadas.

236

GUA PARA EL DISEO INICIAL

5. GUA PARA EL DISEO INICIAL
debe aplicarse a los puentes peatonales de acero). Los puentes colgantes siguen utilizndose para las luces mayores en los que las pilas intermedias no son viables. Los cables estn sujetos a una traccin muy alta y se anclan en el suelo, generalmente mediante cimientos de gravedad combinados a veces con anclajes de roca. As pues, la presencia de roca en la superficie del suelo o junto a ella resultan esenciales. Los puentes de cables inclinados son de forma colgante con cables directamente conectados al tablero. La estructura se ancla por s misma y, por lo tanto, depende menos de las buenas condiciones del suelo. No obstante, el tablero debe proyectarse previendo esfuerzos axiales importantes desde el componente horizontal de la fuerza del cable. El proceso de construccin es ms rpido que en el puente colgante, ya que los cables y el tablero se montan al mismo tiempo.

5.1 Seleccin de la forma del puente

Cada forma del puente es adecuada para un dominio particular de tramos (vase la figura 9, en la que se muestra tambin el vano ms grande para cada tipo de solucin). Los puentes colgantes o de cables inclinados son las formas capaces de conseguir las mayores luces. Claramente, son menos adecuadas para puentes de carretera o de ferrocarril de luz pequea o media. Sin embargo, pueden ser apropiados para puentes peatonales de luz pequea, en parte porque no tienen ninguna carga concentrada que requiera una viga de rigidez costosa, y en parte por consideraciones estticas. (Cabe sealar que la misma consideracin necesaria para luces grandes, como la estabilidad aerodinmica,

Figura 9 Variacin normal de vanos y vanos record para diferentes tipos de puentes de acero

237

Los tipos de puentes tales como arcos o prticos pueden ser adecuados para lugares especiales. Por ejemplo, un arco es la solucin lgica para una luz media que cruce un barranco de lados escarpados. Un arco con tirante es una solucin adecuada para una luz nica en la que la altura de construccin es limitada y la presencia de una carretera de geometra curva o alguna otra obstruccin entran en conflicto con los vientos posteriores de un puente de cables inclinados. Los puentes de prticos son generalmente adecuados para luces pequeas o medias. En una forma de tres tramos con montantes inclinados, pueden ser una solucin econmica al

reducir la luz principal; asimismo, tienen un aspecto atractivo. El riesgo de colisin de barcos debe considerarse si los montantes inclinados se utilizan sobre ros navegables. Los puentes en voladizo se utilizaron durante la primera etapa de la evolucin de los puentes de acero. Para la construccin moderna se adoptan raramente. Las vigas de canto variable se utilizan frecuentemente para estructuras continuas en las que el tramo principal supera los 50 m. Su aspecto es ms atractivo y la mayor eficacia de la construccin de canto variable compensa ampliamente los mayores costes de trabajo de taller. Las vigas sencillas, es decir, vigas de canto constante, se utilizan para todos los puentes de luz pequea, tanto en tramos simples de construccin continua como para luces de hasta aproximadamente 30 m. Los perfiles laminados son viables y generalmente ofrecen una mayor economa. Encima de este tramo sern necesarios perfiles trabajados en taller. Tanto las vigas de canto variable como las sencillas pueden ser vigas armadas de chapa o vigas cajn. El desarrollo de la fabricacin semiautomtica de vigas compuestas ha supuesto una marcada mejora de su economa relativa. Esta forma de construccin es, probablemente, la solucin preferible para luces de hasta 60 m aproximadamente, si su altura de construccin no est especialmente limitada. Por encima de los 60 m de altura, y muy por debajo de esta cifra, si la altura de construccin est limitada o existe curvatura de plano, la viga en cajn ser probablemente la ms econmica.

Figura 10 Resultado del tpico estudio de costes para determinar la luz ptima de un viaducto

238

GUA PARA EL DISEO INICIAL

5.2 Seleccin de la luz
Para cruces importantes, la seleccin de la luz se regir probablemente por la topografa local. Incluso para cruces menores, el tamao fsico de obstculos que se deben cruzar ser el principal determinante de la luz. No obstante, para los viaductos de tramos mltiples se puede optar entre varias luces y el ingeniero deber tratar de hallar la solucin ms
Factor Situacin de los obstculos

econmica. La siguiente tabla resume los factores que influyen en esta eleccin. Para viaductos largos vale la pena realizar proyectos iniciales presupuestados para diferentes luces a fin de determinar la combinacin ms econmica de costes de superestructura e infraestructura. En la figura 10 se muestra el resultado de un estudio tpico. A continuacin se muestran las luces ptimas tpicas.
Razones La posicin de las pilas viene a menudo dictada por ros, vas de ferrocarril y servicios enterrados. La longitud de la luz puede verse limitada por la altura de construccin mxima disponible. Unas malas condiciones del terreno requieren cimientos costosos; las luces mayores favorecen la economa (a) Los ros con mareas o de caudal rpido pueden impedir la utilizacin de pilas intermedias Para cursos de agua navegables, la colisin accidental de barcos puede impedir la utilizacin de pilas intermedias.

Altura de construccin

Costes relativos de superestructura e infraestructura Viabilidad de construir pilas intermedias en cruces de ros

(b)

Altura del tablero por encima del suelo

Cuando la altura supera aproximadamente los 15 m, los costes de las pilas son importantes, por lo que se seleccionarn luces mayores Para cargas ms pesadas como las del ferrocarril se seleccionarn luces ms cortas

Cargas

Tabla 1 Factores que influyen en la seleccin de luces para viaductos

Condiciones Cimientos simples (cimiento en losa o pilotes pequeos) Cimientos difciles (pilotes de 20 m de largo) Pilas de 15 m de altura

Carretera 25-45

Ferrocarril 20-30

35-55

25-40

45-65

30-45

Tabla 2 Luces ptimas tpicas para viaductos

239

6.

RESUMEN FINAL
Los puentes peatonales de acero son estructuras ligeras y econmicas que ofrecen considerables oportunidades para proyectos atractivos e innovadores. En terrenos llanos, los puentes mviles permiten economas considerables respecto a los puentes fijos o los tneles. Los puentes mviles son generalmente puentes basculantes, puentes giratorios o puentes levadizos. Cada uno presenta ventajas e inconvenientes particulares y requieren prestar atencin, en el proyecto, a las caractersticas clave.

Los pliegos de condiciones limitados para las prestaciones de los puentes de servicio puede dar como resultado soluciones estructurales excepcionales. Para los puentes colgantes, de cables inclinados, de arco, de prtico, de mnsula y de vigas de alma llena existe una gama de luces preferibles. La eleccin de la forma de la estructura es una de las ms importantes decisiones del proyecto inicial. Aunque muchas luces vienen dictadas por exigencias exteriores, es posible optimizar la eleccin de las luces para los viaductos.

240

LECTURAS ADICIONALES
7. LECTURAS ADICIONALES
11. The Steel Construction Institute Design Guides for Bridges: SCI P065 Design Guide for Continuous Composite Bridges: 1 Compact Sections, Iles DC, 1989 SCI P066 Design Guide for Continuous Composite Bridges:Design Guide for Continuous Composite Bridges: 2 Non-Compact Sections, Iles DC, 1990 SCI P084 Design Guide for Simply Supported Composite Bridges, Iles DC, 1991 SCI P204 Replacement Steel Bridges for Motorway Widening (SCI in association with BCSA and British Steel General Steels), Iles DC, 1992 SCI P208 Motorway Widening: Steel Bridges for Wider Highway Layouts, Iles DC, 1993. 12. Brown, CW. Constructional Steel Design: An International Guide, Elsevier Applied Science, London, 1992. 13. Godfrey, G B. Jointless Bridges in Composite Construction, Steel Construction Today, Volume 3 No. 1, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1989. 14. Tatsumi, M. Long Span Steel Bridges in Japan presented at Pacific Structural Steel Conference, Japanese Society of Steel Construction, 1992.

1. The Steel Construction Institute. The Steel Designers Manual, 5th Edition, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1992. 2. Iles, D C. The Design of Footbridges. British Steel General Steels, London, 1993. 3. Alvarez, R. La Estructura Metlica Hoy, Librera Tcnica Belliso, 1975. 4. Mason, J. Pontes Metlicas e Mistas em Viga Recta, Livros Tcnicos e Cientificos, Rio de Janeiro, 1976. 5. Homberg, H., Trenks, K. Krenzwerke, Sprinzer Verlag, 1962. Drehsteife

6. Hambley, E. Bridge Deck Behaviour, London Chapman and Hall, John Wiley & Sons, 1976. 7. Cusens, A., Pama, R. Bridge Deck Analysis, John Wiley & Sons. 8. Badoux, J. Conception des Structures Metaliques, Partie D, Dimensionnement des ponts. ICOM-Institut de la Constructin Metalliques |cole Polytechnique Federale de Lausanne. 9. Johnson, R P. Composite Structures of Steel & Concrete, Volume 2 - Bridges, SCI P-051, Collins, 1986. 10. 2nd International Symposium on Steel Bridges, Paris, April 1992.

241

ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.7.1: Introduccin al Diseo de Edificios de Varias Plantas: Parte 1

243

OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Presentar los temas preliminares en el diseo de edificios de varias plantas. Leccin 2.3: CONOCIMIENTOS PREVIOS Comprensin de las principios de diseo y de las configuraciones estructurales. RESUMEN La leccin describe brevemente los componentes fundamentales de la estructura de un edificio. Presenta las diferentes configuraciones estructurales para resistir las cargas horizontales y verticales. Por ltimo, se considera la cuestin de la proteccin contra incendios. Leccin 2.2.2: Bases de Diseo en Estados Lmite y Coeficientes de Seguridad Bases para la Determinacin de Cargas

LECCIONES AFINES Leccin 2.1: Leccin 2.2.1: Proceso de Diseo Principios de Diseo

245

1.

INTRODUCCIN

compuestos soldados puede ofrecer soluciones ms racionales en algunos casos. Los sistemas estructurales habituales pertenecen esencialmente a dos categoras: sistemas de prticos rgidos y sistemas arriostrados, siendo los segundos los ms sencillos y, por tanto, la solucin ms econmica. En las estructuras arriostradas, los arriostramientos verticales se forman mediante barras diagonales dentro de la estructura de acero. Estos arriostramientos puede tener formas diferentes (forma en X arriostrados transversalmente; formas en V o en V invertida; prtico simtrico o asimtrico). Los muros o ncleos a cortante de hormign armado son alternativas a los arriostramientos de acero. Estos componentes principales de los edificios de varias plantas y su proyecto se describen en el punto siguiente:

Un edificio de varias plantas debe resistir los efectos combinados de las cargas horizontales y verticales; se compone de cimientos, estructuras y losas del forjado. La estructura comprende pilares y vigas junto con arriostramientos horizontales y verticales que estabilizan el edificio resistiendo las acciones horizontales (cargas del viento y ssmicas). Las losas de forjado se apoyan mediante vigas de modo que las cargas verticales se transmiten a los pilares. Son de hormign armado o mixtas con chapas de acero perfiladas. Normalmente los pilares son de perfiles en H o secciones huecas de acero laminado en caliente. La utilizacin de secciones huecas rellenos de hormign puede mejorar su resistencia al fuego. Normalmente las vigas son de perfiles en I y en H. No obstante, la utilizacin de perfiles

Armazn Forjado

Cimientos
Figura 1 Principales componentes estructurales de un edificio de varias plantas

246

EL ESQUEMA ESTRUCTURAL
2. EL ESQUEMA ESTRUCTURAL
La estructura de acero proporciona resistencia a las cargas y soporta los elementos secundarios tales como la losa del forjado y cerramientos. Todas las cargas externas, tanto verticales como horizontales, son transmitidas a los cimientos por medio de la estructura de acero. Se compone principalmente de elementos verticales (pilares) y elementos horizontales (vigas), que pueden estar conectados de diferentes maneras. Segn el grado de embridado de las conexiones viga-pilar, el armazn puede considerarse como rgido, semirrgido o articulado. En el caso de que sea articulado, el armazn deben incorporar elementos de arriostramiento que se sitan en los planos rectangulares acotados por pilares y vigas.

Un edificio de varias plantas incluye los elementos estructurales siguientes (figura 1): a. cimientos b. estructura c. estructuras de forjado. Los cimientos se realizan con hormign armado. El tipo de cimentacin se selecciona conforme a las caractersticas y condiciones del terreno.

(a)

(b)

(c)

Las losas del forjado deben resistir las cargas verticales que actan sobre ellas y transmitirlas a las viguetas en las que se apoyan. Transmiten asimismo las cargas horizontales a los puntos del armazn donde estn situadas las barras de arriostramiento. La disposicin estructural de los edificios de varias plantas a menudo se inspira en la forma de la planta del edificio, dando como resultado soluciones diferentes (figura 2). La planta puede ser rectangular (figura 2a), en L (figura 2b), curvada (figura 2c), poligonal (figura 2d) o quiz compuesta de elementos rectangulares y triangulares (figura 2e).

(d)

(e)

Figura 2 Disposicin estructural segn la Figura Disposicin estructural segn la forma2 de la planta del edificioforma de la planta del edificio
Leccin 1B.7.1

247

3.

PILARES

Los pilares son los elementos estructurales que transmiten todas las cargas verticales de los forjados a los cimientos. El medio de transmisin de la carga vertical est relacionado con el sistema estructural particular utilizado para la estructura (figura 4). La situacin de los pilares en planta se rige por el plano estructural. Las disposiciones

de emparrillado ms comunes son cuadrada, rectangular u ocasionalmente triangular, de acuerdo con la eleccin del sistema estructural global (figura 3). La separacin de los pilares depende de la resistencia a la carga de las vigas y la estructura del forjado. Puede variar de 3 a 20 m, pero normalmente es del orden de 6 a 10 m. La transmisin de cargas de los forjados a los pilares puede producirse directamente desde las viguetas a los pilares (figura 4a) o indirectamente. En la transmisin indirecta se utilizan vigas de transferencia principales (figura 4b), que resisten todas 2-3m las cargas transmitidas por los pilares de arriba. En los sistemas suspendidos (figura 4c), la transmisin de las cargas verticales es mucho ms compleja. Se realiza directamente mediante barras de traccin (tirantes) colgadas de las vigas superiores que soportan la carga vertical total de todos los forjados. Un nmero limitado de grandes pilares transmiten la carga total a los cimientos. La seleccin de la situacin y separacin de los pilares depende del sistema estructural, que debe armonizar requisitos funcionales y econmicos. Las formas de las secciones utilizadas normalmente para los pilares pueden subdividirse en (figura 5): secciones abiertas. secciones huecas.

6-12m

Leccin 1B.7.1

Figura 3 Diferentes colocaciones Figura 3 Diferentes colocaciones de columnas

248

de columnas

Las secciones abiertas son bsicamente perfiles en I y en H laminados en caliente

PILARES
(figura 5a). Las secciones en doble T pueden asimismo formarse por soldadura. Las secciones en forma de cruz pueden obtenerse soldando perfiles en L, chapas o perfiles en doble T (figura 5b).

(a)

Las secciones huecas son tubos de seccin circular, cuadrada o rectangular (figura 5c). Pueden tambin formarse soldando chapas o perfiles en doble T (figura 5d). Las secciones huecas circulares y cuadradas presentan la ventaja de que tienen la misma resistencia en las dos direcciones principales, lo que permite obtener secciones de dimensiones mnimas. A veces las secciones huecas se rellenan de hormign, aumentando su resistencia al mismo tiempo que se consigue una importante resistencia al fuego (> 60 minutos) (figura 5e). Sin embargo, las conexiones viga-pilar son ms complejas que las conexiones entre perfiles en I.

(b)

(c)
Figura 4 Diferentes mtodos de transmisin de carga vertical

Figura 4 Diferentes mtodos de transmisin de carga vertical

Leccin 1B.7.1

249

4.

VIGAS
(a) (b) (c)

Las vigas soportan los elementos del forjado y transmiten sus cargas verticales a los pilares. En una estructura tpica de edificio rectangular, las vigas comprenden los elementos horizontales que se extienden entre pilares adyacentes; pueden utilizarse asimismo vigas secundarias para transmitir las cargas del forjado a las vigas principales (o primarias). En los edificios de varias plantas, las formas de seccin ms comunes para las vigas son las formas en I laminadas en caliente (figura 6a) o en H (figura 6c) con alturas de 80 a 600 mm. En algunos casos pueden utilizarse tambin perfiles en U (simple o doble) (figura 6b).

(d)

(e)

(l)

(f) h0

(g)

hw

(h) 200 hw

(i)

Figura 6 Diferentes secciones de vigas

Figura 6 Diferentes secciones de vigas
Leccin Cuando es necesaria un mayor 1B.7.1 canto pueden utilizarse perfiles compuestos. Las vigas armadas pueden tener forma simtrica doble (figura 6d) o asimtrica (figura 6e), siendo preferible la primera para perfiles mixtos de acerohormign. Combinando chapas y/o perfiles, pueden componerse perfiles en cajn (figura 6f) o perfiles abiertos (figura 6g).

Figura 5 Diferentes secciones de columnas

A veces son necesarias aperturas en las almas de las vigas para permitir el paso de servicios horizontales, como tuberas (para agua o gas), cables (electricidad y telfono), conductos (climatizacin), etc. Las aperturas pueden ser circulares (figura 6h) o cuadradas con rigidizadores adecuados en el alma. Otra solucin a este problema es utilizar vigas alveoladas (figura 6i) que se componen soldando dos partes de un perfil en doble T cuya alma ha sido previamente cortada a lo largo de una lnea trapezoidal.

250

VIGAS
Para los edificios, la relacin normal entre luz y canto es del orden de 15 a 30 para conseguir el proyecto ms eficiente. Adems de resistencia, las vigas deben tener una rigidez suficiente para evitar grandes flechas que podran ser incompatibles con componentes no estructurales (como tabiques). A tal efecto, la flecha mxima en el centro del vano de una viga se limita normalmente a una fraccin de la luz igual a 1/400 - 1/500. Cuando esta limitacin es demasiado severa, puede preformarse en la viga una deformacin inicial adecuada (contraflecha) igual y opuesta a la flecha debida a las cargas permanentes. Los perfiles de acero pueden envolverse parcialmente de hormign rellenando el espacio entre las alas del perfil. Los perfiles parcialmente envueltos en hormign son resistentes al incendio sin la proteccin contra incendios convencional (figura 5e). Para periodos mayores de resistencia al incendio son necesarias barras de refuerzo adicionales.

251

5.

ESTRUCTURAS DE FORJADO

Los forjados deben resistir las cargas verticales que actan directamente sobre ellos. Normalmente estn formados por losas apoyadas en las vigas de acero secundarias. La separacin de las vigas de apoyo debe ser compatible con la resistencia de las losas del forjado. Las losas del forjado pueden ser de hormign prefabricado, hormign in situ o losas mixtas con chapa de acero. Hay disponibles varias opciones: hormign convencional in situ sobre encofrado provisional (figura 7a). elementos delgados prefabricados (40 - 50 mm de espesor) con revestimiento superior de hormign estructural in situ (figura 7b).

elementos ms gruesos de hormign prefabricado que no requieren revestimiento superior estructural (figura 7c). chapa de acero que acta solamente como encofrado permanente (figura 8b). chapa de acero con ondulaciones adecuadas para que acte tambin conjuntamente con la placa de hormign (figura 8c). Las luces tpicas para las losas de hormign son de 4 m a 7 m, evitando as la necesidad de vigas secundarias. Para losas mixtas se dispone de varias formas de seccin de la chapa de acero (figura 8a). Se clasifican en tres categoras segn su resistencia a las cargas: perfiles con una forma plana trapezoidal sin rigidizadores, con una altura de hasta 80 mm (figura 8c); perfiles con una forma trapezoidal con rigidizadores longitudinales en el alma y el ala, con una altura de hasta 100 mm (figura 8d); perfiles con rigidizadores longitudinales y transversales con una altura de hasta 220 mm (figura 8c).

Losa hormigonada in situ

cobertura in situ

Losa de hormign prefabricado

Elemento prefabricado
(b)

(a)

(c)

Figura 7 Estructura de forjado con losas reforzadas de hormign

La longitud de las luces de las chapas es del orden de 2 a 4 m para la primera categora, de 3 a 5 m para la segunda categora y de 5 a 7 m para la tercera categora. En el ltimo caso se pueden evitar las viguetas secundarias.

252

Figura 7 Estructura de forjado con losas reforzadas de hormign

ESTRUCTURAS DE FORJADO
Las luces admisibles para las chapas de acero se ven influidos por las condiciones de ejecucin, en particular si se utilizan puntales provisionales. Es mejor evitar tal apuntalamiento, ya que de lo contrario se reduce la ventaja principal de utilizar tableros de acero, es decir, la velocidad. Para incrementar la resistencia y la rigidez de las viguetas puede obtenerse un sistema mixto de acero-hormign mediante esprragos apropiados soldados a la parte superior del ala (figura 8f). En este caso, la losa y la vigueta pueden proyectarse conjuntamente utilizando la teora convencional.

(a)

(b)

(c)

(e) (d)

(f)

Figura 8 Diferentes tipos de

Figura 8 chapas perfiladas Diferentes tipos de chapas perfiladas

Leccin 1B.7.1

253

6.

ARRIOSTRAMIENTO

(+) (-) (+) (-) (+) (-) (+)

Los sistemas de arriostramiento se utilizan para resistir los esfuerzos horizontales (carga del viento, accin ssmica) y transmitirlos a los cimientos. Cuando una carga horizontal F (figura 9a) se concentra en cualquier punto de la fachada del edificio, se transmite a los dos pisos adyacentes a travs de los elementos del cerramiento (figura 9b). Los efectos de las cargas H que actan en la losa del forjado se distribuyen a los elementos de apoyo verticales que estn situados en posiciones estratgicas del plano estructural (lneas punteadas en la figura 8c) por un elemento resistente horizontal apropiado en el forjado.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 10 Diferentes tipos de colocacin de arriostramientos

H
F

Los elementos de apoyo Figura 10 Diferentes tipos de colocacin vertical se llaman arriostramientos de arriostramientos verticales; el elemento resistente Leccin 1B.7.1 horizontal es el arriostramiento horizontal, que est situado en cada piso. Cuando son necesarios arriostramientos horizontales, tienen la forma de barras diagonales en la planta de cada piso, tal como se muestra en la figura 9c).

(a)

(b)

Si se utiliza chapa de acero, el arriostramiento en cruz de S. Andrs puede sustituirse por la accin de entramado de la chapa de acero si est fijado adecuadamente. Los arriostramientos horizontales y verticales representan conjuntamente el sistema global de arriostramiento que transmite todos los esfuerzos horizontales a los cimientos. Los arriostramientos verticales se caracterizan por diferenLeccin 1B.7.1

Arriostramiento vertical

Arriostramiento horizontal

(c)
Figura 9 Figura 9 Funcin de los sistemas de Funcin de los sistemas de arriostramiento

arriostramiento

254

ARRIOSTRAMIENTO
tes configuraciones de las barras diagonales en el armazn de acero. Son (figura 10): a. Diagonal nica b. Arriostrado transversal (arriostramiento en X) c. Arriostramiento en V invertida d. Prtico asimtrico e. Prtico simtrico f. Arriostramiento en V Una alternativa a los arriostramientos de acero son los muros o ncleos de hormign armado proyectados para resistir los esfuerzos horizontales (figura 11). En estos sistemas, denominados sistemas duales, la estructura metlica est sujeta solamente a fuerzas verticales. Los ncleos de hormign armado se sitan normalmente en torno a las zonas de escaleras y ascensores. Normalmente, la losa del forjado puede proyectarse para resistir fuerzas en el plano a fin de evitar el uso de diagonales horizontales. ste es el caso de las losas de hormign armado in situ o las losas mixtas con conectadores apropiados.

Muro

Ncleo

Muro

B 2B B

L=nA+c Ncleo Ncleo

B 2B B

L=nA+2c

Figura 11 Muros y ncleos de hormign armado

Figura 11 Muros y ncleos de hormign armado

Leccin 1B.7.1

255

7.

SISTEMAS ESTRUCTURALES

Para que un edificio de varias plantas resista los efectos combinados de las cargas horizontales y verticales, existen dos conceptos alternativos posibles para el sistema estructural. El primero, denominado rgido, es una combinacin de elementos horizontales (vigas) y verticales (pilares) que son capaces de resistir acciones axiales, de flexin y de cizallamiento. En este sistema no es necesario ningn elemento de arriostramiento. El comportamiento de la estructura rgida se obtiene solamente si las conexiones viga-pilar lo son tambin, produciendo una estructura de prticos con un alto grado de redundancia. Como consecuencia de esta eleccin: las conexiones o uniones entre elementos son complejas. la interaccin entre fuerzas axiales y momentos flectores es crtica para el diseo de los pilares.

la deformabilidad transversal general de la estructura puede ser demasiado elevada, ya que depende solamente de la inercia de los pilares. En la figura 12 se muestran los detalles tpicos de uniones viga-pilar para sistemas rgidos: Se denominan uniones rgidas y su funcin es transmitir el momento de flexin de la viga al pilar. El tipo (a) puede transmitir solamente momentos flectores limitados, ya que el alma del pilar puede pandear debido a la concentracin local de efectos. La presencia de rigidizadores horizontales en el alma del pilar (Tipo (b)) recrea la seccin de una viga y el alma del pilar debe resistir solamente la fuerza de cizallamiento. Los tipos (a) y (b) requieren la ejecucin de operaciones de soldadura in situ. Dichas operaciones no son completamente fiables y adems resultan costosas y pueden provocar retrasos en el montaje. Una alternativa mejor es utilizar uniones atornilladas que permiten realizar conexiones rgidas sin los inconvenientes de las soldaduras in situ. Dos soluciones tpicas para estructuras de armazn rgido, mostradas en las figuras 12c y 12d son: El tipo (c) es la unin de placa de testa prolongada. El tipo (d) es la unin de cubrejuntas

(a)

(b)

Estas soluciones permiten hacer el uso ms adecuado de los mtodos de conexin, es decir, soldar en el taller para formar elementos prefabricados y atornillar in situ para conectarlos. Este tipo de unin puede denominarse, por lo tanto, soldada en taller y atornillada in situ. A fin de evitar los problemas prcticos de la construccin de un armazn rgido, puede obtenerse una solucin ms conveniente concibiendo el comportamiento estructural de una manera diferente. Las funciones de resistencia a las cargas horizontales y verticales se separan en las diferentes familias de elementos que se agrupan en dos subestructuras (figura 13):

(c)

(d)

Figura 12 Uniones de viga a columna en estructuras rgidas

Figura 12 Uniones de viga a columna en 256 estructuras rgidas

Leccin 1B.7.1

SISTEMAS ESTRUCTURALES
a. un entramado simple compuesto por vigas articuladas capaz de transferir las cargas verticales a los cimientos (figura 13a). b. una mnsula fijada al suelo que resiste las fuerzas horizontales y transmite sus efectos a los cimientos (figura 13b). La subestructura a. es hiperesttica; las vigas flexan en el plano vertical, los pilares son simplemente comprimidos, las uniones articuladas entre vigas y pilares absorben solamente las fuerzas de cizallamiento. La subestructura b. es isosttica; su funcin de arriostramiento puede obtenerse mediante vigas de celosa de acero o mediante paredes de hormign armado. Estas estructuras de arriostramiento estn sujetas principalmente a cargas de cizallamiento y flexin y su deformabilidad debe comprobarse en condiciones de servicio a fin de limitar su deformacin transversal. La combinacin de las dos subestructuras a. y b. proporciona la estructura completa (figura 13c) que es capaz de resistir tanto las cargas verticales como las horizontales.
F1 H1 H1 F2 F3 H1 H1 F1

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 14 Uniones de viga a columna

en Uniones de simplemente Figura 14estructurasviga a columna en estructuras simplemenLeccin 1B te apoyadas apoyadas

F2 F3

Las principales ventajas de esta solucin, denominada sistema de prtico arriostrado, son: los detalles constructivos de las uniones son muy simples, ya que actan como rtulas. la deformabilidad transversal de la estructura est limitada por el sistema de arriostramiento (subestructura b).

(a)

(b)

(c)

Figura 13 Modelo de clculo para estructura arriostrada

la interaccin entre fuerzas axiales y momentos flectores en el pilar es prcticamente inexistente.

257

En contraste, aparecen algunas complicaciones en los cimientos de los arriostramientos que deben resistir las fuerzas totales horizontales con una cantidad muy pequea de compresin axial. Se producen altos valores de excentricidad que requieren grandes dimensiones en el rea de contacto debajo de los cimientos. En estos sistemas estructurales, las uniones viga-pilar deben resistir solamente fuerzas

axiales y de cizallamiento. Algunas soluciones tpicas de uniones para estructuras articuladas se muestran en la figura 14; son uniones soldadas en taller y atornilladas in situ. La que se utiliza con mayor frecuencia es la conexin atornillada entre el alma de la viga y el ala (o alma) del pilar mediante angulares dobles (figura 14e, f). Son ms econmicas que las soluciones completamente soldadas (figura 12a, b) para estructuras rgidas y permiten un montaje sencillo.

258

REQUISITOS DEL DISEO

8. REQUISITOS DEL DISEO
(1) debe ser posible considerar cualquier sistema de forjado como una estructura plana, sujeta por los arriostramientos verticales. los arriostramientos, como sujeciones externas del sistema de forjado, deben proporcionar un sistema de al menos tres grados de restriccin.

En el diseo de un sistema estructural para un edificio de varias plantas se debe tener en cuenta su comportamiento espacial. (2) Para el sistema de prticos arriostrados, que parece ser el ms conveniente por su economa y fiabilidad, es necesario situar un nmero suficiente de arriostramientos para poder resistir cualquier carga horizontal. Para ello, los requisitos son:

(3) el sistema de forjado debe ser capaz de resistir las fuerzas internas debidas a las cargas horizontales aplicadas. Para satisfacer el requisito (1), deben utilizarse arriostramientos en cruz de S. Andrs en el plano del forjado, transformando as el propio sistema de forjado en una viga de celosa horizontal. Como alternativa, la losa de elementos de hormign prefabricado del sistema de piso puede suponerse que resiste directamente las fuerzas horizontales como una estructura de chapa plana, puesto que su deformabilidad es normalmente despreciable. Cuando se utilizan placas de hormign, el montaje de la estructura metlica requiere una atencin particular, ya que es inestable hasta que se colocan los elementos del forjado. Resulta necesario, por lo tanto, un arriostramiento provisional durante esta fase de la ejecucin.

B A

F1 F2 F3 R1

B a

Para satisfacer el requisito (2), los arriostramientos de acero q slo son activos en su propio plano y por lo tanto representan L una sujecin simple para la estructura del forjado. Cuando se Figura 15 Edificio de varias plantas con utilizan arriostramientos de hormiarriostramientos horizontales Figura 15 Edificio de varias plantas con arriostramientos horizontalesLeccin 1B.7.1 de gn armado, pueden tener uno, de acero acero dos o tres grados de restriccin,

R3

R2

259

segn su resistencia a la flexin en el plano (pared), la flexin biaxial o la flexin y torsin biaxiales (ncleo), respectivamente. Por ltimo, el requisito (3) se satisface evaluando los esfuerzos en los elementos del forjado debidos a las cargas horizontales, considerando la situacin de los arriostramientos verticales.

En la figura 15, se muestra una estructura tridimensional para un edificio de varias plantas con arriostramientos de acero. Todos los puntos de la estructura del forjado estn fijados en dos direcciones. En particular, las diagonales que conectan los puntos A y B sujetan a todos los puntos de la lnea 1 en la direccin x. El arriostramiento del forjado es capaz de recibir fuerzas externas en las direcciones x e y y transmitirlas a los arriostramientos verticales. La estructura espacial puede reducirse a subestructuras planas cuyos esquemas estticos se muestran en la figura 16. La fachada longitudinal a lo largo de la fila 3 est directamente arriostrada en su plano, as como las fachadas laterales mediante arriostramientos transversales de los ejes a y b.

En las uniones articuladas de los prticos transversales intermedios y de los prticos longitudinales de los ejes 1 y 2 se evita cualquier desplazamiento horizontal ya que todas estn conectadas a los arriostramientos verticales mediante los arriostramientos del forjado. Por lo tanto, pueden considerarse como prticos sin deformacin transversal. En la figura 17 se representa el esquema estructural espacial de un edificio de varias plantas con un ncleo de arriostramiento de hormign armado. Puede considerarse como una solucin alternativa al ejemplo anterior para el mismo edificio, en la que el ncleo de hormign sustituye a los

Figura 16 Estructuras longitudinales y transversales

260

REQUISITOS DEL DISEO

arriostramientos longitudinales y transversales de acero. Pueden considerarse dos sistemas de arriostramiento del forjado: Si las cuatro paredes del ncleo de la escalera son estructuralmente efectivos, la solucin de la figura 17a es correcta. Si slo son estructuralmente efectivos tres lados de la escalera, la transmisin a la pared longitudinal de las fuerzas horizontales en la direccin longitudinal requiere el uso de diagonales de forjado adicionales, tal como se muestra en la figura 17b.

Figura 17 Edificio de varias plantas con ncleo de hormign

261

9.

RESUMEN FINAL

Los prticos estructurales para edificios de varias plantas consisten en una configuracin apropiada de losas, vigas, pilares, cimientos y arriostramientos. Existe una amplia variedad de formas que cada uno de estos elementos pueden adoptar para satisfacer los diferentes requisitos detallados. las configuraciones estructurales estn influidas por la forma de la planta del edificio; la disposicin de los pilares debe tener en cuenta consideraciones econmicas y funcionales. Los prticos pueden ser resistentes a momentos (con conexiones viga-pilar rgidas), pero se utilizan con ms frecuencia conexiones vigapilar articuladas simples, asegurando la estabilidad lateral mediante un sistema independiente de arriostramiento.

El arriostramiento es necesario en tres planos ortogonales (generalmente estos planos son dos planos verticales no paralelos y uno horizontal en el interior de los forjados), ya sea mediante la propia placa del piso o mediante arriostramiento en cruz de S. Andrs. El arriostramiento en el plano vertical se consigue normalmente mediante arriostramiento transversal o mediante muros a cortante para edificios de poca altura.

10.

BIBLIOGRAFA ADICIONAL

1. Hart, F., Henn, W. and Sontay, H., Multi-storey Buildings in Steel Crosby Lockwood Staples, London, 1985. 2. Owens, G. W., Steel Designers Manual, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1992.

262

ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.7.2: Introduccin al Diseo de Edificios de Varias Plantas: Parte 2

263

OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Comentar las configuraciones estructurales en edificios de varias plantas con particular referencia a la resistencia a las cargas laterales. Lecciones 2.4: Historia del Hierro y el Acero Leccin 16.8: Clasificacin de Prticos de Varias Plantas Mtodos de Anlisis para Prticos de Varias Plantas

Leccin 16.9: CONOCIMIENTOS PREVIOS Comprensin de los principios de diseo, las configuraciones estructurales y el clculo estructural esttico y dinmico.

Leccin 16.10: Edificios de Varias Plantas Arriostrados y sin Flecha Horizontal Leccin 16.14: Mtodos de Anlisis de Prticos de Nudos Rgidos

LECCIONES AFINES Leccin 2.1: Leccin 2.2.1: Leccin 2.2.2: Proceso de Diseo Principios de Diseo Bases de Diseo basada en Estados Lmite y Coeficientes de Seguridad Bases para la Determinacin de Cargas RESUMEN En esta leccin se discuten los diferentes sistemas estructurales (prtico de cizallamiento, prticos de celosa de cizallamiento, acero-hormign, pantallas, etc.). Se comentan en particular los edificios de gran altura y los efectos ssmicos.

Leccin 2.3:

265

1.

INTRODUCCIN

La utilizacin de la estructura de acero en el siglo pasado permiti un considerable incremento en la altura de las construcciones llegandose con ello a los edificios modernos de gran altura. Para edificios de pequea altura la solucin estructural ms comn se obtiene integrando dos sistemas diferentes de resistencia de cargas en la misma estructura: prticos semirrgidos o articulados, que resisten solamente las acciones verticales. arriostramientos de acero o muros y ncleos de hormign, que resisten las acciones horizontales. Mediante la denominada cuarta dimensin de la construccin metlica (que introduce, aparte de las tres dimensiones geomtricas, el grado de resistencia del material disponible), es posible unificar las secciones de las elementos y, por lo tanto, obtener soluciones ptimas y econmicas para una gama de formas de edificios.

Para los edificios de gran altura (hasta 120 plantas) se utilizan diferentes sistemas estructurales segn la altura: hasta 30 plantas, sistemas de pared o ncleo de hormign. de 30 a 60 plantas, sistemas de prtico. ms de 60 plantas, sistemas de tubo. Para prticos metlicos arriostrados pueden utilizarse diferentes tipos de arriostramiento segn los requisitos estructurales y funcionales. Existen modelos de clculo apropiados para edificios de varias plantas para las estructuras articuladas y los arriostramientos de celosa. Para las estructuras metlicas resistentes a los sesmos, pueden obtenerse unas prestaciones y una ductilidad excelentes. Los requisitos del proyecto en tales casos corresponden a tres estados lmite dados: estados lmite de servicio, resistencia a daos y prevencin del colapso.

266

DE LOS EDIFICIOS DE VARIAS PLANTAS...

2. DE LOS EDIFICIOS DE VARIAS PLANTAS A LOS RASCACIELOS
ejemplos de esta situacin en los edificios de gran altura de Estados Unidos. En 1965, el John Hancock Center de Chicago se consideraba el edificio ms alto del mundo con 100 plantas y 335 m de altura (figura 2), aparte del tradicional Empire State Building de Nueva York construido en 1931 utilizando la prctica ingenieril de la poca. El innovador sistema estructural del John Hancock Center consiste en una estructura portante perimetral que se comporta como un tubo porticado con arriostramiento diagonal. En 1970 se inici la construccin de las dos torres del World Trade Center de Nueva York, que superaba en altura al John Hancock Center y al Empire State Building. Las dos torres tienen una planta cuadrada y su sistema estructural se denomina un tubo en un tubo, debido a que est compuesto por una pared externa con pilares de acero muy juntos (tubo porticado) y un ncleo interno donde se concentran todas las instalaciones (escaleras, ascensores y dems). Este concepto permiti que el edificio alcanzara las 104 plantas y 411 metros de altura (figura 3).
Word Trade Centre

En los ltimos cien aos el hombre ha aceptado el reto de aumentar el tamao de los edificios de varias plantas. La altura se ha incrementado con xito gracias al uso del acero, que proporciona propiedades mecnicas adecuadas en trminos de resistencia y ductilidad. La gama resultante de edificios se extiende de los edificios de varias plantas a los edificios altos y a los rascacielos. El aumento de la altura est cambiando gradualmente el horizonte de muchas ciudades (figura 1). El desarrollo de edificios ms altos ha estimulado la creacin de nuevos sistemas estructurales, capaces de proporcionar una resistencia creciente ante los efectos de la altura. La accin dinmica del viento ha dejado de ser despreciable a medida que el nmero de plantas ha aumentado y se hace tan importante como las acciones ssmicas horizontales de los terremotos. Pueden encontrarse

455 m 365 m 275 m 180 m 90 m Gateway Centre First Civic National Equit. Centre verscherung Bank,Seattle Dome Centre Chase M. Bank East Nat. Bank Chicago

John Hancock Centre U.S Steel

1
Modulos de edificios m Luz entre centros de columnas Dimensiones de planta rea de planta rea total de suelo N de pisos para ocupantes N de plantas de servicio N total de plantas Suelo - altura del suelo Altura total m N de grupos de ascensores N de ascensores de servicio N de montacargas Peso del acero kg/m 2 Coste del acero $/t Coste del acero $/m 2 Peso total del acero t
1,37 13,72 41,76x82,91 3462

2
1,47 11,75 35,36x53,83

3
1,422 10,973 38,40x43,90 1655 68183

4
1,47

5
1,52 12,20 37,80x74,37

7
1,52

10
0,99 18,29 63,70x63,70 3995

136098 28 2 30 5,49 3 56

176510 49 4 60 64 3,60 225,55 4x8 256,34 256,34

260120 94 3 100 4 104

33 1 35

36 4 50

135,64 2x6 12 1 92,76 300.30,66 2x6,1x5 17 1 151,35 315,52,72

135,62

197,21

335,28

411,48

22

42

32 2

159,65

214,82 420,0 99,0

180,65 327(),380() 64,56/75,32 29938

234,35 350,0 90,38

178,88 425,0 79,62 32668

146,47

145,00 375,0 92,53 38102

209,94 600,0 138,80

10886

Figura 1 Datos bsicos sobre rascacielos famosos

Figura 1 Datos bsicos sobre rascacielos famosos

Leccin 1B.7.2

267

110

Seccin D-D

90
C C B

B Seccin C-C

66 50

30
Seccin B-B A A

(b) Elementos p permetro de la e apoyo

Seccin A-A

(a) Torre estructural

Figura 4 Torre Sears

Figura 4a Torre Sears

La supremaca en altura del John Hancock Center dur muy poco. En 1974 la Sears Tower de Chicago se convirti en el edificio ms alto del mundo, con 110 plantas y 442 metros de altura (figura 4a). Su sistema estructural consistente en una estructura de prticos Figura 2 2 Centro John Hancock, Chicago Figura Centro John Hancock, Chicago externa perimetral ceida por tres cinturones de Leccin 1B.7.2 vigas de celosa horizontales. Una caracterstica del edificio es la reduccin de su superficie de 68 m planta con la altura, lo que transforma el cuadraD Permetro de la do 110 su base en una forma casi rmbica, en de D estructura de apoyo una cruz, ms arriba, y, finalmente, en la parte Ncleo interno superior del edificio, en un rectngulo. La varia90 Seccin D-D cin de la seccin resistente hace a esta estrucC C tura similar a una gran mnsula de seccin variaB Seccin C-C B

Lecc

66 50

65 m

30
Seccin B-B A A (b) Elementos prefabricados del permetro de la estructura de apoyo (a) Torre estructural

Planta
Seccin A-A

Figura 3 World Trade Centre, Nueva York

Figura 4b Torre Sears Figura 4 Torre Sears

Figura 268 3 World Trade Centre, Nueva York

Leccin 1B.7.2

DE LOS EDIFICIOS DE VARIAS PLANTAS...

ble. Es interesante observar que la estructura perimetral est formada completamente por elementos prefabricados de tres tramos y dos plantas de altura, lo que caracteriza a la fachada (figura 4b). La torre de Sears sigue siendo el edificio ms alto del mundo. En los ltimos veinte aos, se han construido muchos tipos de edificios de varias plantas y de edificios de gran altura, no slo en EEUU, sino tambin en Europa y Japn.

269

3.

CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LOS EDIFICIOS DE ACERO DE POCA ALTURA

A B C D A B C

1 Prticos longitudinales rgidos Forjados dispuestos de forma transversal

2 Prticos longitudinales con mnsulas arriostradas Forjados dispuestos de forma transversal A B C

3 Prticos con muros de hormign o ncleo Forjados dispuestos de forma transversal A B C

4 Prticos con arri Forjados dispue A B

D
D D D

C
A B C A B

La forma ms sencilla de resistir las cargas verticales y horizontales es utilizar prticos rgidos (casos 1 y 5 de la figura 5), con estructuD-D ras de forjados orientadas en direccin transversal y longitudinal respectivamente. Esta solucin no es racional y, por lo tanto, no es la ms econmica porque requiere vigas y pilares con secA-A C-C B-B ciones diferentes en los distintos niveles. Adems, es susceptible a las deformaciones Figura 5A Prticos longitudinales transversales cuando el nmero de plantas es superior a 4 5. Una solucin mejor se obtiene mediante el uso de dos sistemas estructurales diferentes en el mismo edificio (casos 2, 3, 4, 6, 3 Prticos con muros de hormign o ncleo Forjados 7, 8 de la figura 5), es decir:A dispuestos de forma transversal B C prticos semirrgidos D o articulados, que D resisten solamente las acciones verticales. arriostramientos de acero o paredes y ncleos de hormign, que resisten las acciones horizontales.
D-D A B C

D-D

D-D

A-A

B-B

C-C

A-A

B-B

C-C

A-A

Figura 5B Prticos longitudinales

Figura 5 Casos 2 y Leccin 1B.7.2 longitudinales 3: Prticos

4 Prticos con arriostramientos 1 2y3 5 Prticos transversales rgidos Forjados dispuestos de forma longitudinal A A D D

Forjados dispuestos de forma longitudinal B B CC D D

6 Prticos transversales con mnsulas arriostradas Forjados dispuestos de forma longitudinal A B C

A A

B B

CC

D-D D-D

D-D

Ambos sistemas se conectan mediante estructuras de forjado que proporcionan un diafragma rgido en cada nivel de planta. La princiA-A C-C A-A C-C B-B B-B A-A A-A C-C B-B B-B pal ventaja de esta solucin es que permite C-C unificar las formas de todas 5Blas vigas Figura Prticos longitudinales Figura 5C Prticos transversales Leccin Figura 5 Casos 4 y 6: Prtico longitudinal y transversal1B.7.2 independientemente del nivel del piso.
respectivamente

1 Prticos longitudinales rgidos Forjados dispuestos de forma transversal A B C

2 Prticos longitudinales con 5 Prticos transversales rgidos mnsulas arriostradasPrticos transversales con mnsulas arriostradas 7 Prticos con muros de hormign o ncleo 6 7 Prticos con muros de hormign o ncleo Forjados dispuestos de forma transversal Forjados dispuestos de longitudinal Forjados dispuestos de forma longitudinal Forjados dispuestos de formaforma longitudinal Forjados dispuestos de forma longitudinal C A AB B C A A B B C C A B C
D
D

7 Prticos con arriostramientos 67 7 Prticos con arriostramientos forma transversal 67 Forjados dispuestos de Forjados dispuestos de forma transversal A B C A B C D D D D

D
D

D D A A B B B C C

D B C

AB

C
A

A B

D-D

D-D D-D

D-D D-D D-D

D-D

D-D

A-A

B-B

C-C

A-A A-A

B-B B-B

C-C C-C

A-A A-A A-A

B-B B-B B-B

C-C C-C C-C

A-A

A-A

B-B

B-B

C-C

C-C

Figura 5C y transversal Figura 5D Prticos transversales Leccin 1B.7.2 Figura 5 Casos 1 y 5: Prtico longitudinalPrticos transversales1B.7.2 Leccin Figura 5D Prticos transversales respectivamente Figura 5 Casos 7 y 8: Prticos transversales

Figura 5A Prticos longitudinales

Leccin Leccin 1B.7.21B.7.2

270

CARACTERSTICAS PRINCIPALES...
La unificacin de las secciones de los pilares tambin es posible, siempre que se utilicen diferentes calidades de acero (Fe 360, Fe 430, Fe 510) segn la magnitud de la tensin en los pilares. Esta utilizacin de diferentes calidades de acero se denomina normalmente la cuarta dimensin de la construccin metlica porque permite, adems de las tres dimensiones geomtricas, el ajuste de la resistencia del acero a fin de optimizar las condiciones de trabajo de las barras estructurales. La unificacin de la forma de los elementos estructurales es un requisito previo fundamental para reducir los costes de trabajo de taller y montaje. El primer ejemplo de utilizacin de la cuarta dimensin de la construccin metlica fue el edificio de IBM en Pittsburgh, construido en 1965 con tres clases diferentes de acero para las barras del arriostramiento de celosa externo (figura 6).

Figura 6 Edificio IBM, Pittsburg

Figura 6 Edificio IBM, Pittsburg

Leccin 1B.7.2

271

4.

SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA EDIFICIOS DE GRAN ALTURA

Prtico

El sistema estructural de un edificio de gran altura debe resistir cargas de gravedad y laterales, debidas a fenmenos tales como el viento y los terremotos. A medida que aumenta la altura del edificio, las cargas laterales dominan gradualmente el diseo estructural. En la figura 7 se comparan sistemticamente algunos sistemas estructurales de acero utilizados frecuentemente sobre la base de su eficiencia, que se mide por el peso del edificio [1]. Las estructuras de tubo porticado pueden usarse convenientemente en edificios de gran altura de hasta 20 plantas. Las cargas laterales debidas al viento y terremotos producen aceleraciones laterales. Puesto que la gente normalmente percibe estas aceleraciones durante estados de servicio, la rigidez, ms que la resistencia, tiende a convertirse en el factor dominante en los edificios de gran altura. El estado lmite de servicio puede, por lo tanto, ser ms importante que el estado lmite de resistencia.
Nmero de 120 plantas
110 100 90 80

Tubo y prtico Prtico y muro Tubo Tubo y muro Muro Ncleo y muro Tubo y ncleo Ncleo Prtico y ncleo

Figura 8 Clasificacin de sistemas estructurales de edificios de varias plantas [Drosdov, Lishak-1978]

Pueden identificarse cuatro grupos de sistemas estructurales (figura 8). Estos son:
Figura 8 Clasificacin de sistemas estructurales a.sistema de muro portante de edificios de varias plantas [Drosdov, Lishak-1978] b.sistema de ncleo

c. sistema de prtico d.sistema de tubo.

Leccin 1B.7.2

Celosa tubular sin columnas Celosa tubular Prtico interiores con tubulado columnas agrupado interiores Prtico tubulado

Cada sistema tiene diferentes propiedades resistentes y por lo tanto tiende a ser eficiente en un orden diferente de alturas. El sistema de muro portante (normalmente hormign) es generalmente ineficaz en edificios de ms de 15-30 plantas de altura debido a su propio peso. El sistema de ncleo de hormign presenta el mismo inconveniente que el sistema de muro portante, es decir, el peso propio es un factor limitador. La eficiencia del sistema de prticos depende de la rigidez de las conexio-

70
60

Celosa en bandas 50 Arriostramiento en 40 Prtico prtico rgido 30 20

Sistemas estructurales de acero

Figura 7 Los sistemas estructurales de acero y el nmero de plantas

Figura 7 Los sistemas estructurales de acero y el nmero de plantas

272

Leccin 1B.7.2

SISTEMAS ESTRUCTURALES...
nes y de la cantidad de arriostramientos. La rigidizacin puede obtenerse mediante el uso de un ncleo macizo, muros a cortante o arriostramientos en cruz de S. Andrs. A medida que se aaden arriostramientos al prtico espacial, se incrementa la eficacia. El lmite en altura es del orden de 60 plantas. El sistema de estructura tubular puede considerarse como una estructura espacial con los elementos verticales situados en el exterior. La eficiencia en altura depende del tipo y la cantidad de arriostramiento empleado en el tubo. En general, una estructura de tubo se considera la ms eficiente para los edificios ms altos, es decir de ms de 60 plantas de altura. De los cuatro sistemas estructurales bsicos, pueden derivarse seis sistemas secundarios a partir de una combinacin de los bsicos (vase la figura 8). Se supone que los cuatro sistemas bsicos son los grupos primarios que pueden asociarse a los niveles de la jerarqua del sistema estructural tal como proponen Falconer y Beedle. Estos sistemas primarios son: 1. Una estructura de pared portante formada de elementos verticales plaNcleo en esquina Permetro y en esquina separado separados

nos, formando todos o parte de los muros exteriores y, en muchos casos, tambin los

Celosa superior Celosa inferior suspendida suspendida

Plantas en Plantas en mnsula conectadas mnsula

Figura 10 Sistemas de ncleo

Figura 10 Sistemas de ncleo

muros interiores. Resisten las cargas verticales y horizontales y son, principalmente, realizados en hormign Leccin 1B.7.2 (vase la figura 9). 2. Una estructura de ncleo formada por muros de carga, generalmente situados muy prximos unos de otros, donde se suelen agrupar los sistemas de transporte verticales. Esta disposicin permite flexibilidad en el uso del espacio del edificio fuera del ncleo. El ncleo puede proyectarse para resistir cargas verticales y horizontales. En la figura 10 se muestran algunos ejemplos de este sistema. En la parte superior de la figura hay un ncleo central desde el cual se suspenden o prolongan en voladizo

Muro de carga

Muro de carga con ncleo

Muro de carga con prtico rgido

Figura 9 Sistemas de muros de carga

273

los forjados. En la parte inferior los ncleos estn separados o conectados por estructuras de forjado. 3. Una estructura porticada est hecha generalmente de pilares, vigas y losas de forjado dispuestas para resistir las cargas verticales y horizontales. El prtico es quiz la

forma estructural ms adaptable respecto al material y la forma, debido a las muchas maneras de combinar los elementos estructurales a fin de dar apoyo adecuado a la carga. En los ejemplos de la figura 11, las vigas de acero se combinan con paredes y ncleos de hormign o con arriostramientos de acero y vigas de celosa horizontales.

Prtico

Prtico y ncleo slido

Prtico y ncleo arriostrado

Prtico muros de cortante

Prtico y alas de celosa

Celosa superior y ncleo arriostrado

Losa plana

Celosa escalonada

Arriostrado

Celosa superior y en banda con ncleo arriostrado

Figura 11 Sistemas de prticos

Figura 11 Sistemas de prticos

274

Leccin 1B.7.2

SISTEMAS ESTRUCTURALES...
4. Una estructura tubular se caracteriza normalmente por elementos estructurales exteriores poco separados, proyectados para resistir fuerzas laterales en conjunto, ms que como elementos separados. Esquemas alternativos podran incluir tubos arriostrados y tubos porticados (vase la figura 12). Aparte del tubo simple, pueden utilizarse tambin soluciones de tubo en tubo. Estos sistemas permiten una mayor flexibilidad en el uso del espacio interior debido a la ausencia de pilares interiores. Los muros, as como los ncleos, son normalmente de hormign armado.

"Tubo" porticado

"Tubo" de pared perforada

"Tubo" ranurado

"Tubo" en ranurado

"Tubo" en haz

"Tubo-en-tubo" "Tubo"ranurado "Tubo" porticado "Tubo-en-tubo" porticado "Tubo-en-tubo" con y celosas en banda y en celosa perforado columnas superior interiores

Figura 12 Sistemas tipo tubo

Figura 12 Sistemas tipo tubo

Leccin 1B.7.2
275

Arriostramiento diagonal simple

Arriostramiento diagonal doble

Arriostramiento en K vertical

Arriostramiento en codo

Arriostramiento en K horizontal

Arriostramiento de celosa

(a) Arriostramiento en K excntrico

(b) Arriostramiento diagonal excntrico

Figura 13 Tipos de arriostramiento

Pueden utilizarse prticos de acero junto con ncleos de hormign y/o muros, dando como resultado estructuras mixtas que tambin pueden llamarse estructuras dobles. Cuando las vigas de acero estn arriostradas, pueden utilizarse diferentes tipos de arriostramiento segn los requisitos estructurales y funcionales (figura 13). Los ms frecuentes son:

Figura 13 Tipos de arriostramiento Leccincruz de S. Andrs, sim arriostramiento en 1B.7.2

ple o doble arriostramiento en K vertical u horizontal arriostramiento de celosa. Los arriostramientos en K y en cruz de S. Andrs simple pueden ser excntricos, es decir, las barras diagonales no se encuentran con los nodos.

276

MODELOS DE CLCULO
5. MODELOS DE CLCULO
Una cuestin importante es si la introduccin de hiptesis simplificadoras conduce a un modelo cuyo comportamiento es seguro o no. Es necesario comprobar si los resultados obtenidos del modelo y, en particular, la resistencia de carga lmite en el colapso son seguros o no. Para responder a esta pregunta puede ayudar la aplicacin del teorema esttico del proyecto bsico. En una estructura sometida a las fuerzas externas Fj, uFj son los valores de las cargas que, si se aplicaran, produciran el colapso de la estructura, siendo u el multiplicador real del colapso. Si, para una carga genrica Fj es posible encontrar una distribucin de fuerzas internas que equilibre a las fuerzas externas, y si la estructura tambin cumple en cualquier lugar con un criterio hipottico de plasticidad, entonces u. Este teorema es vlido si se cumplen las hiptesis siguientes: Ausencia de efectos de pandeo local. Los efectos de segundo orden no influyen.
A
B

5.1 Hiptesis bsicas

En el proyecto de edificios de varias plantas es habitual remitirse a un modelo de clculo que corresponde a una estructura ideal que tiene coacciones perfectas. En contraste, los detalles constructivos reales muestran que las uniones entre los diversos elementos que comprende la estructura son considerablemente diferentes de las idealizaciones hipotticas. Por lo tanto, es importante sealar que cualquier enfoque del proyecto estructural debe basarse en hiptesis y esquemas simplificados que hagan posible la correlacin entre la estructura real y el modelo. Solamente el modelo puede estudiarse con los mtodos de anlisis estructural. Los resultados del anlisis predecirn ms ajustadamente el comportamiento real de la estructura, cuanto mayor sea la precisin con que el modelo represente a la propia estructura.

Los valores de deformacin en cada punto de la estructura son menores que los correspondientes a la rotura del material. Un modelo de clculo podr, por lo tanto, predecir el comportamiento real con mayor precisin cuanto ms estrictamente se cumplan las condiciones de compatibilidad. Toda solucin, no obstante, se encuentra en el lado seguro, incluso si no se cumple la compatibilidad, siempre que: Represente el equilibrio entre las fuerzas internas y externas

L
A

(a)
B

(b)

a e Esquema (1) (2) (3) R1 L

e a

Observe la resistencia del material. La estructura tenga suficiente ductilidad, necesaria para evitar roturas localizadas, para valores de carga inferiores a los del colapso local o estructural global. Est claro que una vez se ha definido el modelo de clculo, debe comprobarse la estabilidad de los elementos y, en caso de estructuras altamente deformables, debe valorarse la influencia de los efectos de segundo orden en

a e

R1B

R2B

Figura 14 Modelos de clculo para una Figura 14 Modelos de clculo para una estructura simpleLeccin 1B.7.2 estructura simplemente apoyada mente apoyada

277

(a) Columna orientada segn eje dbil

las cargas verticales. A continuacin se describen algunos ejemplos tpicos de modelos de clculo de estructuras metlicas.

5.2

Estructura articulada

El modelo de una estructura articulada genrica (figura 14) puede estudiarse con referencia a las diversas situaciones de las rtulas ideales. Pueden situarse, por ejemplo, en cualquiera de las tres posiciones que se muestran en la figura 14. Los resultados estarn en el lado seguro siempre que las dimensiones de los diversos elementos estructurales cumplan con el modelo hipottico. De los tres casos mostrados pueden deducirse los siguientes criterios para calcular los momentos y fuerzas en los pilares, vigas y conexiones (secciones X-X e Y-Y). Esquema 1 Los pilares A y B estn simplemente comprimidos. L es la luz para calcular el momento de la viga. La seccin de unin X-X debe resistir no slo un esfuerzo cortante V = R1, sino tambin un momento M = R1 a. La seccin de unin Y-Y debe resistir no slo una esfuerzo cortante V =R1, sino tambin un momento M = R1 (a + e).

(b) Columna orientada segn eje fuerte

Figura 15 uniones de viga a columna

Figura 15b Uniones de viga a columna

Esquema 2

Leccin 1B.7.2

El pilar B est comprimido (N = R1B + R2B) y sujeto a un momento M = a (R1B R2B) concentrado en el eje central. El pilar A est comprimido (N = R1) y sujeto a un momento M = R1 a concentrado en el eje central. L - 2a es la luz para calcular los momentos de la viga. La seccin de unin X-X debe resistir una fuerza de cortadura V = R1 solamente. La seccin de unin Y-Y debe resistir no slo un esfuerzo cortante V = R1, sino tambin un momento M = R1 e. Esquema 3 El pilar B est comprimido (N = R1B + R2B) y sujeto a un momento M = (R1B R2B) (a + e) concentrado en el eje central. El pilar A est comprimido (N = R1) y sometido a flexin por un momento M = R1 (a + e) concentrado en el eje central. L - 2 (a + e) es la luz para calcular los momentos de la viga.

(a) Columna orientada segn eje dbil

Figura 15a Uniones de viga a columna

La seccin de unin X X debe resistir una fuerza de cortadura V = R1 y un momento M = R1 e.

278

MODELOS DE CLCULO
(a)

La seccin de unin Y Y debe resistir solamente un esfuerzo cortante V = R1 Cada uno de estos tres modelos se encuentra en el lado de la seguridad y puede, por lo tanto, asumirse para el clculo. La eleccin entre ellos se efecta considerando el elemento estructural o la unin, que es la parte ms dbil de la estructura. Se escoge el modelo que minimiza las fuerzas internas en esa parte, ya que es el ms seguro.

M1

H1
R 2i R 1i

M1

M2
Mi

H2
Hi

hi

M4

H4
M i =(R1i-R2i) e

En el primer esquema el estado de tensin en el pilar es el menor. Puede, por lo tanto, (b) escogerse cuando los pilares estn orientados conforme a su eje menor (figura 15a). Los efec- Figura 16 Modelos de clculo para columnas de estrucFigura 16b Modelos de clculo para columnas tos flectores en los pilares quedan, de hecho, eli- de estructuras simplemente apoyadas turas simplemente apoyadas minados a pesar de los ligeros momentos en las uniones debido a la excentricidad relativamente Los efectos de las Hi, para cada piso y para pequea de la conexin atornillada. cada pilar se resisten mediante arriostramientos Leccin 1B.7.2 verticales a travs del sistema de forjado. Su intenEl segundo esquema es a menudo considad es aproximadamente R e/h, donde R es servador si los pilares estn orientados conforme la diferencia entre las reacciones de dos vigas al eje mayor (figura 15b). En este caso, de conectadas al pilar y e/h es la relacin entre la hecho, la excentricidad es mayor que la mitad del excentricidad de la rtula y la altura del piso. En los canto del pilar y puede requerir un incremento de tipos de estructura que se estn considerando, la resistencia de la conexin. La excentricidad puesto que los vanos de las vigas son comparaconlleva tambin una mayor tensin en los pilables, R depende principalmente de cualquier res debido a los momentos flectores. Su distribucarga accidental no compensada. Adems, puesto cin puede evaluarse con la hiptesis de rtulas que e/h es esencialmente pequeo, estos efectos en el punto medio entre los pisos y considerando son generalmente despreciables en comparacin a los pilares fijados por la estructura de arrioscon los debidos a cargas externas. En contraste, tramiento (figura 16a). As pues, cada hilera verlos efectos del momento flector en los pilares no tical puede considerarse mediante el esquema son despreciables. El correspondiente incremento isosttico que se muestra en la figura 16b. La de la tensin debe considerarse en los clculos. reaccin horizontal Hi viene dada por el equilibro de giro en la rtula nmero i: Hi = 2Mi i 1 Hk hi o

5.3 El arriostramiento de viga de celosa

Las fuerzas que actan sobre el arriostramiento de estructuras, tales como los efectos del viento, terremotos e imperfecciones geomtricas, no lo hacen en una direccin en particular. Por lo tanto, el esquema del sistema de arriostramiento debe proyectarse y calcularse para una gama de condiciones de carga. Con referencia al arriostramiento que se muestra en la figura 17a, se considera el comportamiento de un solo sistema diagonal (figura 17b).

(a)
e e Figura 16a Modelos de clculo para columnas de estructuras simplemente apoyadas M1 H1

R 2i

R 1i

M1

M2
Mi

H2

279
hi Hi

M4

H4

H C A B D A D C BH

(a)

(b)

La estructura es hiperesttica. Su solucin para determinar desplazamientos transversales viene determinada por la condicin de compatibilidad (figura 17c), suponiendo que la barra CB es rgida. Esta hiptesis impone la igualdad AB = CD entre el alargamiento de la diagonal tendida AB y el acortamiento de la diagonal comprimida CD. Si la relacin N- entre la carga axial N y la variacin en la longitud (figura 18a) es igual en traccin y en compresin, entonces la fuerza axial en ambas diagonales tiene el mismo valor absoluto. La estructura puede considerarse como la superposicin de

DCD = (C"-C') C C' C" A B B' B" D DAB =

(B'-B")

N N N

=150
(c)
Figura 17 Comportamiento de un arriostramiento de celosa Figura 17 Comportamiento de un

=100 =50 =0 (a)

Leccin 1B.7.2
J

=150

arriostramiento de celosa
N Miembro AB

N Nt

Miembro CD (a)

DCD =150 NC

DAB

H
a

H/2

H/2

+H/2 H

=
a

+H/2 +H/ 2

-H/2 -H/ 2

(b)
(b)

Leccin 1B.7.2
comportamiento Figura 19 Figura 19 Diferentey en compresin dede una Diferente comportamiento una barra traccin en

Figura 18 Acciones en barras diagonales

Figura 18 Acciones en barras diagonales

280
Leccin 1B.7.2

MODELOS DE CLCULO
dos estructuras isostticas que trabajan en paralelo (figura 18b) y su solucin es sencilla. Las diagonales, sin embargo, difieren substancialmente en su comportamiento. La barra comprimida CD puede no tener un comportamiento lineal porque, aunque permanece elstica, est sometida a pandeo y la desviacin del comportamiento lineal se incrementa a medida que aumenta su esbeltez (figura 19a). Para una esbeltez alta (figura 19b) la condicin geomtrica AB = CD requiere una carga axial Nc en la barra comprimida que sea substancialmente menor que la carga axial Ni en el tirante. Existen, por lo tanto, dos maneras de tratar el arriostramiento. Puede dimensionarse de forma que ambas diagonales puedan resistir a
H

traccin y a compresin. Para ello es necesaria una esbeltez baja ( 100), de forma que la diferencia de comportamiento entre las barras a traccin y a compresin sea despreciable. Esta solucin se ilustra en la figura 18b: ambas diagonales cooperan en resistir las fuerzas de cortadura. Alternativamente, el arriostramiento puede dimensionarse considerando solamente la diagonal tendida. Su esbeltez debe ser ( 200) a fin de asegurarse de que, cuando la tensin se invierta y la diagonal pase a ser una barra comprimida, permanecer elstica incluso si pandea. En esta condicin la barra comprimida es redundante y las fuerzas las resiste en su totalidad la barra tendida. Los arriostramientos proyectados de esta forma son generalmente ms econmicos, pero la deformacin de la estructura es mayor. Adems, la posibiliH

(a)

(a)

(b) c

(b) c

(c)

(c)

Leccin 1B.7.2
Figura 20 20 Comportamiento de un Figura Comportamiento de un arriostramiento excntrico Figura 21 Comportamiento de un arriostramiento en V Figura 21 Comportamiento de un arriostramiento

en

arriostramiento excntrico

Leccin 1B.7.2

281

dad de pandeo de las diagonales a compresin desaconseja esta solucin cuando el arriostramiento est situado en el plano de fachadas o tabiques. Las anteriores consideraciones son aplicables tambin a otros tipos de arriostramientos. El arriostramiento que se muestra en la figura 20a, por ejemplo, consiste en dos barras inclinadas conectadas a una viga que resiste a la flexin. La viga puede calcularse por el mtodo indicado en la figura 20b o el de la figura 20c, segn se considere o no la barra comprimida. El arriostramiento de la figura 20b corresponde a barras de una viga de celosa que soporta solamente cargas axiales. Una barra diagonal est traccionada y otra est comprimida. Puesto que ambas barras son idnticas, debe comprobarse

que puedan resistir satisfactoriamente la carga de compresin. En la figura 20c slo se considera operativa la barra traccionada. En consecuencia, la viga debe resistir tambin el pandeo debido a la fuerza externa H. En este caso el arriostramiento tambin puede ser econmico, siempre que la barra comprimida sea lo suficientemente esbelta para pandear mientras permanece elstica. Puede seguirse el mismo enfoque para el sistema de arriostramiento que se muestra en la figura 21a. Las barras de arriostramiento han sido proyectadas para actuar tanto a traccin como a compresin. El proyecto minimiza la flexin de la viga. Alternativamente, en la figura 21c el arriostramiento ha sido proyectado para resistir slo a traccin, ignorando la barra comprimida. Este proyecto incrementa la flexin en la viga.

282

REQUISITOS SSMICOS DE LAS ESTRUCTURAS...

6. REQUISITOS SSMICOS DE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
las incomodidades para los habitantes deben ser mnimas. El primer requisito (evitar daos estructurales) se cumple proyectando la estructura en la gama elstica. El segundo requisito (evitar daos no estructurales y la incomodidad de los habitantes) se cumple proporcionando suficiente rigidez para prevenir deformaciones importantes. El estado lmite de averiabilidad permite algn dao menor en los componentes no estructurales debido a deformaciones locales grandes en ciertas zonas. Estos daos pueden producirse con terremotos moderados de menor frecuencia. El estado lmite de colapso se relaciona con movimientos severos de tierra debidos a terremotos muy infrecuentes. Se prevn daos estructurales y no estructurales, pero debe garantizarse la seguridad de los habitantes. La estructura debe ser capaz de absorber y disipar grandes cantidades de energa. Pueden adoptarse diferentes vas para absorber y disipar energa en condiciones de grandes movimientos de tierra a fin de prevenir el colapso.

Los edificios de acero de varias plantas se utilizan cada vez ms en regiones de alto riesgo ssmico debido a sus excelentes prestaciones en trminos de resistencia y ductilidad. Sus prestaciones se deben al comportamiento mecnico de los materiales, de los elementos estructurales y de los componentes no estructurales requeridos en el proyecto. Los requisitos del proyecto corresponden a la imposicin de tres estados lmite dados. Son el estado lmite de servicio, la resistencia a los daos (averiabilidad) y los estados lmite de colapso, incluidos en la nueva generacin de reglamentos ssmicos como las Recomendaciones ECCS para Estructuras Metlicas en Zonas Ssmicas [2] y el Eurocdigo 8 [3]. El estado lmite de servicio corresponde a los terremotos de menor frecuencia. Requiere que la estructura, junto con los componentes no estructurales, no deban sufrir ningn dao y que

283

7.

COMPORTAMIENTO CON CARGAS HORIZONTALES

Tradicionalmente, se han utilizado dos familias de sistemas estructurales en los edificios de varias plantas para resistir cargas horizontales importantes (tanto del viento como de terremotos). Son los prticos arriostrados concntricamente y los prticos rgidos. El sistema de prtico arriostrado concntricamente se utiliza ampliamente para estructuras metlicas normales y resistentes a los sesmos. Las mnsulas verticales se forman mediante elementos de arriostramiento en cruz de S. Andrs con lneas centrales coincidentes. Resisten las fuerzas laterales (tanto del viento como de terremotos horizontales) mediante fuerzas axiales en los elementos de arriostramiento que proporcionan una gran rigidez en el campo elstico. En estas estructuras las zonas disipadoras se sitan principalmente en las diagonales tendidas, ya que se suele suponer que las diagonales comprimidas pandean. El comportamiento cclico inelstico de los arriostramientos concntricos es insatisfactorio debido al pandeo repetido de las barras diagonales. Este pandeo produce una reduccin progresiva del rea de los bucles de histresis, lo que corresponde a una disminucin importante de la capacidad de la estructura para absorber y disipar energa. Este comportamiento se ilustra

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

Figura 23 Diferentes tipos de arriostramiento concntrico

en la forma de los bucles de histresis de un arriostramiento concntrico (figura 22). Segn el tipo de arriostramiento, se preFigura 23 comportamiento diferente. Los tipos senta un Diferentes tipos de arriostramiento concntrico pueden clasificarse en tres categoras: arriostramientos diagonales en X (figura 23a, b, c), arriosLeccin 1B.7.2 tramientos en V (figura 23d, e, f) y arriostramientos en K (figura 23g). Los arriostramientos en X (figura 23a) disipan energa por medio de la plastificacin de las diagonales traccionadas y comprimidas y la degradacin se debe al pandeo fuera de plano, que interacta con el pandeo local de la seccin. Desde este punto de vista, las secciones simtricas (doble C, secciones huecas) presentan un comportamiento mejor que las asimtricas (ngulos adosados). En los arriostramientos en V, las fuerzas horizontales las resisten diagonales traccionadas y comprimidas, siendo necesarias estas ltimas para el equilibrio. Desde el punto de vista de carga cclica, solamente la diagonal comprimida disipa energa, mientras que la diagonal traccionada permanece elstica. Los arriostramientos en K (figura 23g), por el contrario, no pueden considerarse disipadores ya que las diagonales cruzan el pilar en un punto intermedio, por lo que incluyen al pilar en el mecanismo de fluencia. En resumen, para todos los tipos de prticos arriostrados concntricamente, pueden pro-

H(ton)
50 40 30 20

D(cm)
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1

2 3

-30
-40

BC5

Figura 22 Ciclo de histresis para un arriostramiento concntrico

Figura 22 Ciclo de histresis para un arriostramiento concntrico

284

COMPORTAMIENTO CON CARGAS...

ducirse grandes movimientos inaceptables entre plantas, que provocan daos no estructurales, debido al fallo de los arriostramientos. Los prticos resistentes a momentos tienen un gran nmero de zonas disipadoras situadas junto a las conexiones viga-pilar. Resisten fuerzas horizontales esencialmente por flexin y la energa puede disiparse mediante un comportamiento de flexin cclica. Las conexiones viga-pilar se proyectan generalmente para los cuatro principales tipos de uniones (figura 24): Tipo A, en el que tres cubrejuntas de chapa son soldadas al pilar y atornilladas a las alas y al alma de la viga. Tipo B, en el que se atornillan perfiles angulares al pilar y la viga. Tipo C, con placas de testa con alargamiento simtrico. Tipo D, que es una unin totalmente soldada. Las prestaciones de todos los tipos se han hallado por medio de pruebas, para lograr una ductilidad suficiente. Los prticos resistentes a momentos se utilizan ampliamente para edificios de poca altura, pero por lo general resultan ms costosos que el sistema de arriostramiento concntrico para una altura dada. Para edificios de altura media y grande (entre 6 y 40 plantas) las estructuras porticadas presentan deformaciones elsticas demasiado grandes bajo la accin de terremotos leves o el viento, produciendo daos en los elementos no estructurales. Puede obtenerse una rigidez suficiente aadiendo arriostramientos diagonales al prtico rgido. A partir de una comparacin entre el comportamiento de los prticos arriostrados concntricamente y los rgidos, se concluye que ninguno de estos sistemas tradicionales cumple con los requisitos actuales para los tres estados lmi-

A1

B1

C1

D1

Figura 24 Ciclos de histresis para diferentes tipos de unin

Figura 24 Ciclos de histresis para diferentes tipos de unin

Leccin 1B.7.2

285

te: estado lmite de servicio, averiabilidad y colapso. Puede obtenerse una armonizacin adecuada entre la rigidez lateral de los arriostramientos y la ductilidad de los prticos, utilizando el sistema hbrido de prticos arriostrados excntricamente (figura 25). En este sistema, las fuerzas horizontales las resisten principalmente las barras cargadas axialmente, pero la excentricidad de la configuracin permite la disipacin de energa mediante flexin cclica y comportamiento en cizallamiento en un elemento conocido como conexin activa.

Cortante (K) 200

100 0

-100 -200 0 1,0 2,0 3,0 -3,0 -2,0 -1,0 Desplazamiento (m)

El tipo comn de prtico Figura 26 Ciclos de histresis de un enlace arriostrado excntricamente puede Figura 26 Ciclos de histresis de un enlace clasificarse como arriostramiento en D (figura yectarse de forma que su resistencia mxima a 25a), arriostramiento en K (figura 25b) y arriostrala flexin y al cizallamiento se alcance antes de miento en V (figura 25c) segn la forma de los eleque se alcancen las resistencias mximas a la mentos diagonales. Los prticos arriostrados traccin y a la compresin de otras barras. excntricamente pertenecen al grupo de estructuras disipadoras y su nivel de absorcin de energa La longitud de la conexin activa es la reses similar al del sistema de prtico rgido. ponsable del mecanismo de colapso que disipa energa. Las conexiones cortas disipan energa Adems, el sistema de prtico arriostrado principalmente por deformacin inelstica por excntricamente presenta ventajas en trminos cizallamiento en el alma (conexin a cortadura). de control de movimiento. Representa una soluLas conexiones largas disipan energa principalcin econmica para edificios de altura media y mente por deformaciones normales en las alas grande. La conexin activa es el principal disipa(conexiones a momento). Un proyecto cuidado Leccin 1B.7.2 dor de energa del sistema estructural. Debe prode estas conexiones puede producir bucles de histresis muy satisfactorios con una e e gran rigidez y absorcin de energa e e (figura 26). Los prticos arriostrados excntricamente satisfacen los requisitos de los tres estados lmite considerados en el proyecto de estructuras metlicas ssmicas. En particular, proporcionan una excelente resistencia y rigidez en el campo elstico, de modo que se evitan los daos no estructurales y la incomodidad de los habitantes. Asimismo, tienen suficiente ductilidad para disipar grandes cantidades de energa en el campo inelstico.
Leccin 1B.7.2

(a)

(b)

(c)

Figura 25Figura 25 Diferentesarriostramiento excntrico Diferentes tipos de tipos de arriostramiento excntrico

286

BIBLIOGRAFA ADICIONAL
8. RESUMEN FINAL 9. BIBLIOGRAFA

Cuanto mayor es la altura del edificio, tanto mayor es la importancia de las consideraciones de la accin dinmica del viento y la carga ssmica en el proyecto. Para edificios de poca altura, la estabilidad lateral puede obtenerse mediante prticos resistentes a momento, arriostramiento transversal o muros a cortante; para edificios de gran altura se utilizan normalmente sistemas ms eficientes. Pueden definirse cuatro categoras bsicas: muro, ncleo, prtico y tubo, que pueden combinarse para proporcionar sistemas de arriostramiento ms efectivos. Deben utilizarse modelos analticos apropiados para determinar las prestaciones de los sistemas de arriostramiento lateral.

[1] New Structural Systems for Tall Buildings and Their Scale Effects on Cities, Khan, Fazlur R. Tall Building Plan, Design and Construction, Symp, Proc, Vanderbilt University, Civ Eng Program, Nashville, Tennessee, 1974. [2] Eurocode Convention of Constructional Steelwork : Recommendations For Steel Structures in Seismic Zones, ECCS, Publication 54, 1988. [3] Eurocdigo 8: Structures in Seismic Regions - Design, CEN (en preparacin).

10.

BIBLIOGRAFA ADICIONAL

1. Steel Designers Manual, Owens G.W. Blackwell Scientific Publications, Oxford. 1992

287

ESDEP TOMO 2 CONSTRUCCIN EN ACERO: INTRODUCCIN AL DISEO

Leccin 2.8: Aprender de los errores

289

OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO Describir los pasados errores para mejorar la seguridad de futuros diseos y mtodos. RESUMEN En esta leccin se examinan nueve errores. El anlisis de estos casos particulares permite identificar la falta de conocimiento o el tipo de error en las estructuras en cuestin. A partir de los anlisis se extraen las lecciones para futuros proyectos y ejecuciones. No se incluyen casos de siniestros ocasionados por sesmo (vase las lecciones del Grupo 21).

CONOCIMIENTOS PREVIOS Ninguno

LECCIONES AFINES Ninguna.

291

1.

INTRODUCCIN

En las sociedades preindustriales, la arquitectura y tecnologa tenan, en gran medida, un enfoque artesanal. El diseo de objetos y edificios cambiaba muy lentamente a medida que, siglo tras siglo, se iban introduciendo gradualmente mejoras . El concepto de progreso no es, por tanto, una idea nueva, pero en la sociedad medieval, los constructores se limitaban a construir muy cuidadosamente, tanto en el sentido figurado como en el literal, sobre aquello que ya se haba hecho anteriormente. Los colapsos se producan cuando intentaban ir demasiado lejos, ms all del mximo que se haba alcanzado durante siglos de lento desarrollo Se pueden encontrar casos de colapsos en las construcciones ms importantes y ms visibles realizadas en aquel tiempo: las catedrales. En su deseo de conseguir la nave ms alta o el vano ms amplio de la cristiandad, las autoridades y constructores de catedrales traspasaban a veces los lmites de sus conocimientos y tecnologa. Como resultado de ello, algunos edificios o partes de los mismos se colapsaban. ste fue el caso de la catedral de Beauvais. El colapso se produjo porque los constructores, superandose a s mismos, llevaron el sistema estructural gtico ms all de sus lmites naturales. El aumento del inters por el mtodo cientfico y por la razn, iniciado en el siglo XVII, desemboc en la revolucin industrial, e incluy

el desarrollo de la capacidad de predecir las fuerzas a las que poda estar sometida una estructura durante su uso. El propio proceso de industrializacin permiti la fabricacin de nuevos materiales, cuyas propiedades fueron ms regulares y predecibles que las de los materiales naturales a los que sustituan. Podra suponerse que la combinacin del aumento de los conocimientos y la mejora de los materiales produjo una reduccin de la incidencia de colapsos estructurales. Sin embargo, la industrializacin gener una demanda de muchos tipos de estructuras existan, como las estaciones de ferrocarril, los mercados cubiertos y las salas de exposicin, para los que no existan precedentes histricos. Con el progreso de la tecnologa nacieron nuevas expectativas por parte del pblico y un deseo de crearlas por parte de los proyectistas; de repente, pareca que casi todo era posible, a medida que se aceleraba el desarrollo. Cada estructura sucesiva era, durante algn tiempo, la ms larga, la ms alta o la que tena una luz mayor. En el siglo diecinueve los proyectistas se enfrentaban continuamente a los intentos de resolver problemas para los que no exista ningn precedente. Sin las demandas cambiantes de la sociedad y el progreso tecnolgico, las ruinas se deberan solamente a la falta de cuidado. Mediante el estudio de los errores se puede aprender cmo hacer las estructuras ms seguras a medida que se desarrolla la tecnologa. ste es el tema de la presente leccin.

292

ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES...

2. ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES ESTRUCTURALES
se debe al hecho de utilizar proyectos que han tenido xito en una escala determinada como base para estructuras mayores. En este caso, el problema principal son las omisiones que en la escala menor no eran importantes pero que adquieren importancia en la escala superior.

2.1 Generalidades
Los errores no son, de ninguna manera, prerrogativa de la ignorancia o la incompetencia. Ms a menudo, son consecuencia de un lapsus que el trabajo en equipo y la vigilancia no han podido evitar. Estos lapsus pueden ser una combinacin de mala suerte, una comunicacin inadecuada, mrgenes de seguridad demasiado estrechos para prever los errores humanos, mtodos de clculo o de construccin inexactos, etc. Sera absurdo intentar, en una sola leccin, elaborar una lista completa de las razones de los errores y tratar de presentar ejemplos de cada uno de ellos. No obstante, existen dos temas recurrentes: la mayora de los colapsos se producen durante el montaje y una de las razones ms importantes de ellos es la falta de comunicacin. Una mala comunicacin puede manifestarse de muy diversas formas. La mejor proteccin contra ella es que todos los tcnicos involucrados en un trabajo se conozcan entre s, se consideren amigos y colegas, sientan que participan en una empresa comn y que la mayora de ellos estn abiertos a los puntos de vista de los otros. La dificultad de conseguir y mantener estas relaciones en una situacin contractual compleja se comenta en el apartado siguiente. Slo una parte muy pequea de las muchas otras razones de errores ocurren con la suficiente frecuencia como para merecer una discusin especfica. La falta de detalles puede deberse a una falta de entendimiento o a omisiones en las comprobaciones. Un error numrico en los clculos rara vez conduce a un colapso. La tendencia a minimizar el material utilizado y a maximizar los esfuerzos puede llevarse demasiado lejos, produciendo tan slo mnimas ganancias en trminos de costes y, como contrapartida, un incremento de gastos relativos a la necesidad de mayor precisin del anlisis y un mayor riesgo de colapso. Un peligro muy claro

2.2 La relacin contractual

Normalmente, un trabajo empieza con un cliente que contrata a un arquitecto para proyectar la estructura y controlar todos los temas. Este ltimo encargar a un consultor el proyecto de la estructura. Con frecuencia, el consultor produce un boceto y magnitudes de las barras, pero no detalles de uniones. Se presentarn documentos de licitacin para la estructura completa y cada fabricante principal solicitar precios subcontratados para muchos elementos de la obra. Generalmente, la estructura metlica ser uno de estos elementos. En las obras de puentes, el arquitecto no controlara la obra, pero seguira existiendo la relacin principal contrato/subcontrato. Una vez adjudicados los contratos, el subcontratista de la estructura metlica proyectar las uniones e iniciar el trabajo de taller. A veces incluso esta tarea se subdivide y el subcontratista de la estructura metlica del contrato principal subcontrata el trabajo de taller, ocupndose l solamente del montaje. Todas las partes mencionadas, incluido el ingeniero que puede ser o no el consultor/proyectista, estn vinculados en una relacin contractual el uno con el otro. El contrato es muy importante pero a veces se permite que empae las relaciones personales entre individuos. Si en algn momento se observa una ruptura en la amistad entre profesionales en una obra, esto puede considerarse una clara seal de peligro. Nadie puede realizar su trabajo de forma eficaz cuando existe enemistad en cualquier nivel. Para complicar an ms el problema, la obra la realizan trabajadores que, si bien tienen una identidad corporativa, son tambin grupos formados por individuos. La realizacin segura y econmica de una obra depende de todos los

293

miembros del equipo. Es necesario el respeto mutuo de las competencias e intereses. Si ste se mantiene, las posibilidades de errores se reducen a proporciones despreciables. La valenta de cuestionar el trabajo de otros debe combinarse con la voluntad de aceptar preguntas y la ayuda de otros. Anlogamente, siempre es necesario el valor para resistir la presin de un cambio no deseable.

El puente de Milford Haven (Reino Unido, 2 de junio de 1970) El puente West Gate en Melbourne (Australia, 15 de octubre de 1970) El puente sobre el Rin en Koblenz (Alemania Occidental, 10 de noviembre de 1971). A continuacin se describen dos de estos colapsos: Puente de Milford Haven Un fallo durante el montaje del voladizo, localizado en el lado sur del puente, provoc el colapso total. El elemento causante fue un diafragma de apoyo. El puente (figura 1) se haba proyectado originalmente como una nica viga cajn continua de acero (Se reconstruy siguiendo la tipologa de viga en voladizo en todos sus tramos, excepto en el tramo principal que fue suspendido). Los tramos medan, desde el sur, 77 m, 77 m, 77 m, 149 m, 213 m, 149 m y 77 m. El tramo que se colaps era el segundo tramo de 77 m del lado sur, el primero que se haba montado con la ayuda de un apoyo provisional. El colapso se produjo cuando la ltima seccin de cajn para el segundo tramo estaba siendo desplazada hacia afuera a lo largo del voladizo. Cuando se produjo el colapso esta seccin se desliz hacia adelante y cay del voladizo matando a cuatro personas. En los informes del siniestro qued claro que el colapso se inici por el pandeo del dia-

2.3 Colapsos estructurales 2.3.1 Puentes de viga cajn

Durante los aos 1969-1971 se produjeron, en diferentes lugares del mundo, cuatro colapsos durante la construccin de puentes de viga cajn de acero. Cabe destacar el hecho de que ninguna de estos derrumbes fueron realmente similares. Dos de los puentes se encontraban en el estado de voladizo cuando se produjo el colapso; uno de ellos se colaps como resultado de la debilidad del ala inferior, el otro por colapso de un diafragma de apoyo. En cuanto a los otros dos casos, uno colaps como resultado de la debilidad del ala superior, el otro pande en la parte inferior debido al diferencial de temperatura. Los cuatro colapsos, sin embargo, se asociaron a la inestabilidad de las chapas de poco espesor a compresin. Las causas principales de estos accidentes fueron: a. la aplicacin de la teora del pandeo con coeficientes de seguridad inadecuados; b. reglas de pormenorizacin incorrectas y ausencia de tolerancias de trabajo de taller adecuadas. Los puentes que se colapsaron fueron, en orden cronolgico: El Cuarto Puente sobre el Danubio en Viena (Austria, 6 de noviembre de 1969)

10 11 12

40 41 42 43 44 45 46 47 48

Estribo norte Pila 1 Caballete temporal Pila 5 Pila 2

Pila 6

Caballete temporal

Estribo sur

Voladizo en lado norte del puente

Voladizo en lado sur del puente

Figura 1 Colapso del puente Milford Haven

Figura1Colapso del puente Milford Haven

294

ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES...

C L
10 mm chapa 13 mm chapa

cin de las almas de la viga del puente principal, produciendo una accin de compresin horizontal adicional y efectos de flexin fuera de plano causados por la excentricidad del apoyo.

6,1 m

La carga sustentada por el diafragma justo antes del colapso era de Diafragma arrancado del alma aqu casi 9700kN, lo que concuerda con los clculos de resistencia realizados, despus del accidente, por un organismo Apoyo independiente. La resistencia hipotti3,35 m 5,45 m ca calculada utilizando reglas de diseo, elaboradas a posteriori, teniendo Alzado Seccin en cuenta los valores probables de deformacin y tensin remanente, sera considerablemente menor: posiFigura2 Diafragma sobre Pila6 del Haven Milford Haven puente Figura 2 Diafragma sobre Pila 6 del puente Milford blemente del orden de 5000kN. fragma de apoyo en el arranque del voladizo que se estaba montando (figura 2). El diafragma se Puente sobre el Rhin, Koblenz desgarr de las almas inclinadas, en la proximidad del fondo del cajn, permitiendo que se proEl tramo central del puente de Koblenz dujera el pandeo de la parte del alma y del ala sobre el Rhin, se colaps durante su construcinferiores. Al pandear, el diafragma se acort, cin el 10 de noviembre de 1971, cuando el reduciendo el canto total de la viga cajn; la tenmontaje haba alcanzado casi el punto central dencia del ala inferior a pandear se increment del tramo de 235 m (figura 3). El puente era de inevitablemente por esta reduccin de la distanviga cajn nica de acero de 16,4 m de anchura cia entre alas que increment la fuerza necesaen el ala superior y 11 m de anchura en la inferia en cada ala para soportar el momento, con un rior (figura 4). El cajn se mont en mnsula, elebrazo de palanca reducido. vandose 85 toneladas de una vez. El diafragma de apoyo era, de hecho, una El ala inferior estaba rigidizada longitudiviga armada transversal que soportaba las pesanalmente mediante rigidizadores en T, y el das cargas de las almas en sus extremos y se apoyaba, a cierC ta distancia de sus extremos, L El puente se ltima unidad en construy hasta el ladode Koblenz en los aparatos de apoyo que El puente falla este punto aqu se muestran en la figura 2, y, A comenzar Horcheim Koblenz por lo tanto, estaba sometido a un momento negativo y a un gran esfuerzo de cizallamiento Pila gemela vertical. La chapa del diafragPila de hormign Estribo de de acero hormign ma, en la proximidad de las 103 m 235 m esquinas inferiores externas, estaba sujeta a una compleja combinacin de acciones. El El mtodo consista en construir un voladizo desde cada lado del ro. Cuando se produjo el colapso, la unidad 7 y final apoyada sobre la cizallamiento de la viga transorilla del Koblenz estaba a punto de ser alzada a su nivel final. versal y la difusin de la carga puntual de los apoyos, se comFigura3 Colapso del bin con los efectos de inclina- Figura 3 Colapso del puente Koblenz puente Koblenz
Leccin1B.8

295

22 m

8,2 m

9,25 m

justamente 460 mm de longitud y estaba soldada a tope. A fin de evitar la concentracin de esfuerzos residuales de soldadura, esta chapa no estaba soldada al ala inferior del cajn, sino que su canto inferior quedaba a 30 mm aquella. La chapa que empalmaba el tablero de la T se solapaba sobre los extremos de las dos T. As, se ver que: La chapa del ala inferior, sujeta a grandes esfuerzos de compresin durante la construccin, no tena apoyo en un largo de 460 mm en cada empalme. La soldadura a tope principal en la chapa del ala inferior se encontraba en el centro de esta longitud de 460 mm, introduciendo, posiblemente, una ligera falta de rectilineidad. El centro de gravedad del empalme de la T estaba, ciertamente, ms alejado del ala que de la propia T, causando con ello una excentricidad que someta a la platabanda a una mayor tensin de compresin en este punto. Investigaciones posteriores revelaron que la chapa del ala inferior habra podido soportar la

5,5 m

Figura 4 Tpica seccin transversal del puente Koblenz

cajn lo estaba, transversalmente, mediante marcos con diagonales de tubos de acero de 300 mm de dimetro. Todas las uniones eran soldadas, una tcnica relativamente nueva en Alemania en aquella poca. Tal como se muestra en la figura 5, se haba previsto un espacio de 460 mm en los rigidizadores longitudinales en T del ala inferior para permitir el paso del equipo de soldadura automtica haciendo Figura4 Tpica seccin transv ersalla soldadura transversal a tope la platabanda. del puente Koblenz deentonces a las El rigidizador en T se soldaba dos chapas y aquella que enlazaba la T tena

Cubrejuntas a rigidizador

Leccin1B.8

Rigidizador T

soldaduras a tope

Rigidizador T

460x30 gap

Chapa inferior del cajn

Figura 5 Ala inferior del cubrejuntas del puente Koblenz

296

ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES...

tensin con seguridad si la falta de rectilineidad no hubiese sido superior a 0,95 mm, en la longitud sin apoyo de 460 mm. De hecho, la falta de rectilineidad de la chapa era de hasta 2 mm en algunos puntos. La tarde del 10 de noviembre de 1971 estaban listos los preparativos para elevar la ltima seccin de la mnsula desde el lado de Koblenz. Los cables de elevacin estaban tensados, por lo que formaban parte del peso. Se oy un clic metlico. La extremidad de la mnsula se asent ligeramente. Unos segundos despus el empalme del ala inferior, a 50 m, de la pila pande y el voladizo extremo de la viga colaps cayendo al agua. Indudablemente, el clic era el doblamiento repentino de la platabanda, en el empalme del interior del rebaje de 30 mm. Gran parte de la tensin que deba haber soportado la chapa pas a los rigidizadores en T. Estos tuvieron que soportar tres veces su propia tensin y se doblaron tambin (figura 6). Murieron trece personas. La investigacin concluy que no haba habido negligencia. Los clculos estticos se haban realizado correctamente conforme a los mtodos que se utilizaban entonces en Alemania. Los mtodos deban revisarse.

2.3.2 Puentes de vigas armadas

Puente Kings en Melbourne

Uniones de chapa del tablero escalonadas (3 secciones por longitud)

Uniones soldadas entre unidades adyacentes de 16 m

Chapa sobre unin en cada rigidizador

Un mamparo abierto por unidad (300 mm de tubos diagonales y vigas transversales apartadas de la unin) Antes del colapso

Ala del tablero rota alrededor del mamparo rigidizado Ala inferior se pliega a lo largo de la lnea de unin

El colapso del puente Kings de Melbourne es uno de los relativamente escasos ejemplos de colapso en servicio. El puente se inaugur en 1961 pero slo 15 meses despus, el 10 de julio de 1962 (invierno en Melbourne) colaps, por rotura frgil, cuando pasaba por l un vehculo de 45 toneladas. El colapso total se evit porque los muros, que se haban construido para cerrar el espacio bajo del tramo afectado, soportaron la estructura . Las investigaciones revelaron que muchos otros tramos del puente amenazaban una ruina similar. Los cimientos estaban en buen estado. La superestructura consista en muchos tramos en los que cada carril se apoyaba en cuatro vigas de chapa de acero con una luz de 30 m, cubiertas por un tablero de hormign armado. En la figura 7 se muestra una viga tipo. El ala inferior de cada viga armada era una chapa de 400 m x 20 mm complementada en la regin de alto momento flector por una

Tras colapso

Figura 6 Puente Koblenz:oblenz:Diseodelasunionesyen el colapso Figura 6 PuenteK Diseo de las uniones y su influencia

suinfluenciaenelcolapso
297
Leccin1B.8

Una inspeccin posterior revel que existan fisuras Chapa de ala 360x16 Rigidizadores 150x10 a 1375c/c en la platabanda principal Chapa de ala 400x19 Alma 1500x11 bajo 7 de las 8 soldaduras transversales en ngulo del 4600 300x19x21400 Cubrejunta fuera de vigas 4600 tramo que colaps. Una fisura W14-1&4 se haba prolongado, por la 5400 5400 360X12X19800 Cubrejuntas dentro de vigas W14-2&3 accin combinada de rotura Apoyos 30500c/c frgil y fatiga, hasta que la platabanda traccionada resulAlzado de viga 2600 2600 2600 Cua 450 t completamente seccionada y, entonces, continu su cami80 Cubrejuntas no, ascendiendo hasta la E14-1 E14-2 E14-3 E14-4 mitad del alma. Las 7 fisuras continua Ala Nmeros de vigas evolucionaron hasta producir soldadura en ngulo 5mm chapa 400x19 un colapso completo del ala Detalle de cubrejunta-Planta invertida cuando tuvo lugar el colapso con una carga que estaba Figura7PuenteKing,Melbourne Leccin1B.8 dentro de la carga terica. En Figura 7 Puente King, Melbourne algunos casos se haba desarmado la viga. El colapso total se evit gracias a los muros de apoyo. chapa cubrejunta de 300 x 20 mm 360 x 12 mm. Afortunadamente no hubo desgracias persoEl cubrejuntas estaba unido al ala por una de solnales. dadura en ngulo de 5 mm en todo su permetro. El acero especificado deba cumplir con BS968: 1941, una versin anterior de la calidad BS4360 Grado 50 o FeE 355. Aunque, en aquella poca, la BS968 no exiga ningn requisito de ductilidad del acero a la entalladura a baja temperatura, el responsable de las especificaciones del puente aadi algunos requisitos especiales de este tipo. A pesar de estas clusulas adicionales, los que construyeron e inspeccionaron el puente no entendieron que el acero de alta resistencia requera un cuidado especial en la soldadura comparado con el acero dulce (calidad 43 Fe E 275, tal como se le conoce ahora). Surgieron dificultades con la soldadura, pero en aquel momento no se acudi a un experto.

Chaparigidizadora en lado interno 203x13

Rigidizador longitudinal 110x10

Pieza de rigidizador izquierdo 110x10

Chapa 11 mm 2813 Fisura

549
Ala 559x35 Pieza de ala
Figura 8 Puente Quinnipiac: Posicin de la fisura

298

Figura8 Puente Quinnipiac :Posicin de la fisura

ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES...

Etapa 1 Fisura inicial (falta de fusin en soldadura) La fisura se propaga por fatiga a travs de parte fundida Etapa 2 La fisura se propaga por fatiga a travs del alma Etapa 3 Fractura frgil en alma detenida en ala
Etapa 4 La fisura se propaga por fatiga al ala

viga; sta se propag hasta la mitad del canto de la viga y, cuando se descubri, haba penetrado en la superficie del ala inferior. El examen de la superficie de la fractura indic que el desarrollo de la fisura se haba producido en varias fases y formas. Estas fases se muestran de forma esquemtica en la figura 9. Durante el trabajo de taller se aplic una tosca soldadura de penetracin parcial a lo ancho de un rigidizador longitudinal. Durante el transporte, el montaje y la puesta en servicio se produjo, probablemente, alguna extensin de la fisura desde la seccin no soldada. Suponiendo un trfico normal aleatorio y que aproximadamente 6 mm de los 9,5 mm de espesor del rigidizador longitudinal estaba sin soldar, la fisuracin por fatiga requerira entre 2.000.000 y 20.000.000 de ciclos (segn la proximidad de una superficie libre) para propagarse por el espesor del rigidizador longitudinal. Si la fisura hubiera sido soldada solamente unos 3,8 mm en la superficie de la chapa, de forma que hubiera resultado una fisuracin de borde, slo hubieran sido necesarios 1.000.000 de ciclos de trfico aleatorio, aproximadamente, para que sta se propagara por el rigidizador longitudinal. La rotura por fatiga (Fase II) se habra desarrollado, en su mayor parte, despus de que el rigidizador se hubiera partido en dos. Los estudios de la superficie de rotura con microscopio electrnico confirmaron la presencia de estras por rotura de fatiga durante la fase 2.

Figura 9 Esquema del crecimiento de la fisura

As pues, el colapso del puente Kings se debi a una pormenorizacin incorrecta que no podra tener lugar en la actualidad, combinada con una mala comunicacin que provoc la falta Figura9 Esquema del crecimiento de la f isura de la necesaria inspeccin. Puente del ro Quinnipiac
Leccin1B.8

En 1973 se produjo un accidente menos dramtico en el puente del ro Quinnipiac, cerca de New Haven (EEUU). Se descubri una gran fisura en una viga de un tramo suspendido. No se trataba de una estructura mixta y las vigas tenan un canto de 2,8 m. en el lugar de la fisura. En el momento en que se descubri la fisura, la estructura haba Sept-iles estado en servicio durante 9 aos .

C L Port-Cartier 4

1
La fisura estaba situada a aproximadamente 10 m. del extremo oeste de la viga suspendida, de 50 m. de longitud. En la figura 8 se muestra la fisura que se produjo en el alma de la

2 41,8m

23,759m

12,445m

54,0m

41,8m

Figura 10 Puente sobre el ro Sainte Marguerite (Quebec): Dimensiones generales

299

vigas transversales que unan la parte superior de las patas inclinadas en un ngulo de 45. Las vigas transversales estaban apoyadas por un grupo de tres barras comprimidas arriostradas con la misma inclinacin. El tablero del puente consista en un forjado de hormign (220 mm) con una capa de asfalto de 65 mm. El comportamiento mixto lo aportaban los pernos conectores soldados en las vigas de acero.
Figura11 Puente sobre el ro Sainte Mar guerite (Quebec) Vista de viga transversal sobre puntales inclinados

Figura 11 Puente sobre el ro Sainte Marguerite (Quebec): Vista de viga transversal sobre puntales inclinados

Leccin1B.8

La Fase 3 fue la rotura frgil del alma a baja temperatura. Se inici en una zona de alta tensin residual de traccin. En cuanto la fisura se hizo inestable, se propag por la zona de menor tensin del alma y finalmente se detuvo en el ala. Posteriormente se produjo un mayor crecimiento de la fisura por fatiga (Fase 4) que continu hasta que fue descubierta y reparada. En este caso el error se debi a un defecto interno de la soldadura (falta de fusin) que inici la fisura por fatiga. El colapso total se evit al detectarse la fisura durante la inspeccin rutinaria. Puente sobre el ro Sainte Marguerite en Sept-Iles (Quebec) Un fallo local, al igual que en el puente de Milford Haven, provoc un colapso total. El puente sobre el ro Sainte Marguerite estaba formado por cinco vigas de acero de alma llena formando parte de la losa mixta. Tal como se muestra en las figuras 10 y 11, cada viga tena cuatro apoyos, dos en los estribos y dos en las

El puente se colaps durante la aplicacin del asfalto. El colapso se inici con una abolladura de las almas de las barras comprimidas del lado de Sept-Iles (figura 12). El apoyo proporcionado por estas barras cedi y, como resultado de ello, la luz aument de 54,0 m a 95,8 m. El momento flector en las vigas principales se multiplic por un factor de 5. Las vigas mixtas y el tablero no pudieron resistir y colapsaron.

Viga principal

Desplazamiento inestable Pandeo del alma

Rotacin

Viga transversal
Eje del puntal tras rotacin Separacin entre al mayala

Rtula plstica
Puntal Posicin inicial del eje del puntal

Rotacin

Figura 12 Mecanismo de fractura

300

Figura12 Mecanismo de fractura

ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES...

2.3.3 Estructuras de lminas
900
500
En la figura 14a se muestra un tipo de depsito de agua que es muy popular en Blgica y en otros lugares. El depsito donde se almacena el agua, es tericamente asimtrico en relacin con el eje vertical y se parece a una pelota de golf sobre su apoyo en T. En 1972 se construy un depsito de agua as, con una capacidad de 1500 metros cbicos, cerca del parque industrial de Seneffe; en las figuras 14a y b se muestran las dimensiones principales. Dos lminas cnicas de acero de 8 y 15 mm de espesor formaban la parte principal de la estructura. Depsito de Agua de Seneffe (Blgica)

Figura 13 Rigidizado del alma para evitar pandeo local

Se constat que la causa principal del colapso radic en el ensamblaje entre la viga transversal y las barras comprimidas. Sin rigidizadores, las almas de las barras comprimidas (WWF 900 s 293) eran demasiado esbeltas y no Figura13 Rigidizado cargas axiales transmitidas por del alma para podan resistir las evitarla viga transversal. La relacin anchura/espesor pandeo local de las almas tena un valor de 76,7, mientras que el valor lmite del acero en cuestin es de aproximadamente 34 (segn el Eurocdigo 3: b/t 42 Leccin1B.8 y = 235 fy ). En estas condiciones, la carga axial mxima que poda soportar la barra comprimida era de aproximadamente 3300 kN, un valor confirmado posteriormente por una prueba. La carga en la barra comprimida en el momento del colapso tena un valor de 3500kN, mientras que la carga til calculada era de 5780kN. Para soportar las cargas tiles con un coeficiente de seguridad razonable era necesario colocar rigidizadores en el alma de cada barra comprimida a fin de obtener una colaboracin plena del alma (figura 13). Este error puede atribuirse a un conocimiento insuficiente del comportamiento a compresin de las barras comprimidas con almas esbeltas.

Figura 14 Dimensiones principales del depsito de agua Seneffe (Blgica)

301

a. Imperfecciones, que pudieron ser geomtricas o estructurales. El mtodo de soldadura, utilizado para ensamblar los diversos componentes de una lmina ramificada como la que se muestra en la figura 14, produjo imperfecciones geomtricas locales y altas tensiones residuales. Las tensiones residuales nunca se reducen mediante un recocido, salvo en el caso de las vasijas de los reactores nucleares. b. Tensiones de discontinuidad, con picos altos localizados en las intersecciones de las lminas ramificadas. En aquel momento, incluso utilizando la ms avanzada informacin sobre la estabilidad de lminas aisladas, slo era posible obtener una idea de la resistencia al colapso de una lmina muy perfecta en condiciones de borde idealizadas. La literatura disponible omita totalmente el efecto de las imperfecciones y las tensiones de discontinuidad. El colapso del depsito de Seneffe fue el punto de partida de una importante investigacin experimental en los campos de lminas cnicas llenas de lquido y del anlisis no lineal informatizado teniendo en cuenta las imperfecciones geomtricas. La ltima edicin (1988) de las Recomendaciones ECCS sobre el pandeo de lminas de acero proporciona mucha informacin para una amplia gama de formas cilndricas, cnicas y esfricas. Las recomendaciones actuales de proyecto relacionadas con el pandeo de estructuras de lminas tienen en cuenta niveles realistas de imperfecciones y tensiones residuales. Efectos del viento sobre una chimenea de acero Tras cinco aos de servicio, una chimenea de acero de 25,81 m de altura, que formaba parte de un grupo de cuatro, colaps parcialmente en el transcurso de una tormenta durante la cual la velocidad del viento oscil entre 20 y 150 km/h.

Figura 15 Restos del depsito

El proyecto inicial se realiz utilizando la teora de la membrana. La evaluacin de las tensiones de flexin locales en la interseccin de las Figura15 Restos del depsito anlisis asimtrico lminas se derivaron de un por elementos finitos. Ambos mtodos de clculo eran de primer orden, pero no tenan en cuenta ningn fenmeno de inestabilidad. Debido a la presin interna, las tensiones de los zunchos en la parte AB de la torre de agua (que posteriorLeccin1B.8 mente se descubri que eran crticas) eran de traccin; a pesar del hecho de que las tensiones meridionales en la parte superior eran de compresin, no se realiz anlisis alguno de un posible pandeo de las lminas cnicas. Durante la primera prueba de llenado, el fuste del depsito colaps cuando el nivel de agua alcanz el valor correspondiente a 1130 metros cbicos, es decir, cuando el agua haba subido hasta 1,74 m por debajo del nivel de desbordamiento (figura 14). El colapso se produjo por pandeo del cono fino junto a la unin de los dos conos. En la figura 15 se muestra la estructura colapsada. Despus del accidente se escrut la documentacin disponible y se llegaron a las conclusiones siguientes:

302

ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES...

Las cuatro chimeneas consistan en lminas cnicas y cilndricas con un dimetro de 800 mm. ensambladas mediante bridas atornilladas o por soldadura (figura 16). En la unin atornillada de una brida externa, situada a una altura de 13,575 m por encima del suelo, 13 de los 24 tornillos se rompieron. La deformacin de la brida produjo una inclinacin perceptible de la parte superior de la chimenea, que no cay. En el momento del accidente, el viento soplaba a lo largo de la lnea de las cuatro chimeneas, de oeste a este. La cuarta chimenea (a sotavento) result daada y la rotura de los tornillos afect a la parte sur de la brida. Esta posicin corresponda a la flexin de la chimenea perpendicularmente a la direccin del viento, lo cual es caracterstico de la accin de la turbulencia. En una alineacin de cilindros, los efectos de la turbulencia en el segundo cilindro, y tras l, cuando la distancia entre sus respectivos ejes es inferior a 10 dimetros, son mayores que en el caso de un cilindro aislado. Los efectos pueden duplicarse.

1000 t=4 1975

Desgraciadamente, se subestimaron los esfuerzos en los tornillos debidos a la flexin perpendicular a la direccin del viento, y las bridas no eran suficientemente rgidas. La rotura de los tornillos se debi a fatiga a flexin y se inici en un torEste nillo sobrecargado. La sobrecarga Oeste se debi a un apriete inadecuado de los tornillos adyacentes y a la deforViento macin de la brida. 2500 2500 2500
ngulo 50x60x3 Tornillo18

t=4

5125

t=5 Fractura El.13575

5125

25800 t=6 5125 Detalles del ala

La razn principal del colapso fue que no se tuvo en cuenta la amplificacin de los efectos de las turbulencias en el caso de chimeneas alineadas. En el Eurocdigo 1: Bases de Clculo y Acciones en Estructuras, se presta una atencin especial a los efectos dinmicos adicionales del viento sobre las estructuras.

t=8

Tejado 3000

2.3.4 Edificios
Edificio de Zoologa, Universidad de Aberdeen

t=8 t=8 1700

4000 Oeste 1450

Este

Tornillos rotos Dimensiones de la chimenea

Figura16Efectosdelvientoenunachimeneadeacero
Figura 16 Efectos del viento en una chimenea de acero

El Edificio de Zoologa era rectangular, de estructura metlica, de seis alturas, con una superficie en planta de 13 x 65 m. Los pilares de acero estaban situados a lo largo de los dos lados del edificio con una distancia entre centros de 2,82 metros, y soportaban vigas de acero de 686 mm de canto cubriendo todo el vano de 13 metros. En la figura 17

Leccin1B.8

303

se muestran los ejiones formados por angulares estaban fijados a la cara externa de los pilares y que soportaban UC de 152 152; en stas deba apoyarse el cerramiento de paneles de hormign prefabricados previsto. Los forjados eran placas de hormign prefabricadas, apoyadas directamente sobre las vigas principales de 13 metros de luz. Despus de montar la estructura metlica, el fabricante decidi instalar los forjados para facilitar el trabajo posterior. Lamentablemente, con el peso adicional de las placas de hormign prefabricadas, los pilares en el sentido longitudinal del edificio estaban a punto de pandear y un ligero viento aport la fuerza perturbadora necesaria. Todo el edificio colaps en el sentido longitudinal, con los forjados apilados unos encima de otros. Se hallaron cuatro personas muertos entre los escombros y otro muri posteriormente. Hubo varios heridos.

El da del colapso el viento no era inusualmente fuerte, pero si lo suficiente para descompensar la verticalidad del edificio. Una vez desplazada la estructura de la vertical, la masa de los forjados de hormign cre un amplio momento de vuelco. La nica rigidez en el plano de colapso radicaba en los ejiones que sujetaban las correas del cerramiento a los prticos formados por los pilares principales y las vigas. Las correas del cerramiento sobrepasaron el plano de los pilares y los ejiones se comportaron como rtulas, permitiendo que los rales giraran relativamente a los pilares.

La razn principal del colapso fue la falta de arriostramiento horizontal, que podra haberse obtenido con los paneles de cerramiento montados para rigidizar la estructura. Por lo tanto, puede concluirse que el error radica en el proceso de montaje; se debera haber montado los cerramientos antes que las placas del forjado. Sin embargo, el fabricantre no tena razones para suponer B que la estructura metlica no Vigas de cerramiento podra soportar todas las posi152x152UC bles cargas aplicadas al edificio. Si ese era el caso, debera habrsele informado. Ello sigA A nificara que se trat de un Columnas fallo de comunicacin. Si las 254x254UC B uniones entre los apoyos del cerramiento y los pilares se 2820 hubieran proyectado para ser algo ms rgidos, probablemente el colapso no se habra Alzado producido. Las pruebas y clculos realizados posteriorParejas de ejiones mente indicaron que el colapen ngulo so del edificio en el sentido 75x65x8 longitudinal era mucho ms atornilladas a probable que el colapso en el columna y viga sentido transversal, aunque es este ltimo, con la superficie ms larga expuesta a la carga del viento, era el que, por lo general, se considerara ms probable. Segn el cdigo de Seccin A-A Seccin B-B diseo de proyecto de estructuras metlicas Eurocdigo 3, Figura Figura17Zoologa,UniAberdeen 17 Zoologa, Universidad de versidaddeAberdeen el fabricante debe ser informa-

304
Leccin1B.8

ANLISIS DE ALGUNOS ERRORES...

do si la estructura metlica no es estable por si misma antes del montaje de los cerramientos, de forma que pueda planificar, en consecuencia, la secuencia de montaje. Durante la investigacin del colapso se descubri que el detalle original del ejin para las correas del cerramiento, que habra proporcionado algo de rigidez en el plano del colapso, se haban revisado al montar el prtico ya que los ejiones eran difciles de montar en obra. Al final, tanto los proyectistas de la estructura metlica como el fabricante que la mont fueron hallados responsables del colapso a causa de un malentendido desafortunado y no intencional, debido a la falta de comunicacin. Hotel Hyatt Regency, Kansas City El 7 de julio de 1981 se celebraba un baile en el vestbulo del hotel Hyatt Regency de Kansas City. Cuando los espectadores se concentraron en las pasarelas colgantes elevadas, los apoyos cedieron y dos niveles de puente cayeron sobre la abigarrada pista de baile. Murieron ciento once personas y casi doscientas resultaron gravemente heridas. El colapso se produjo en un detalle sencillo pero crtico.
Suspendido de una celosa

Viga de cuarta planta

La tuerca y la arandela se deben desplazar a unos 10mm para colocar la viga en la posicin correcta

Carga del 2 piso (a) Detalle original

Viga de cuarta planta

Carga del 2 piso (b) Detalle modificado

Figura 19 Hotel Kansas City Hyatt: Detalles de cuelgue

otra mediante pndolas desde el quinto piso (figura 18). La altura entre piso y piso era de 5 m y las pasarelas colgaban de tres conjuntos de pndolas separadas 9,0m 9,0m 9,0m 9,0m 9 m entre ejes. En el proyecto inicial, las pasarelas se apoyaban en 5,0m Pasillo del 4 piso una nicas barras de 15 m (figura 32mm barras de 19a). En cada piso, una viga transapoyo 10,0m versal, hecha con perfiles en U solPasillo del 2 piso dados a tope, se apoyaba con una Uniones de expansin tuerca y arandela sobre la barra. Concurso de baile en piso bajo Este detalle no habra fallado bajo la carga impuesta, aun cuando su Alzado lateral Alzado del final resistencia era tan slo de una cuarta parte de la requerida por Figura 18 Hotel Hyatt Regency, Kansas City: Disposicin de pasillos los reglamentos locales.
Figura18HotelHyattRe gency,KansasCity-Disposicindepasillos

Las pasarelas cruzaban el vestbulo en los pisos segundo y cuarto y se apoyaban en

305
Leccin1B.8

En el furor que sigui al colapso, se hizo patente que el proyecto se haba alterado para reducir el coste de la conexin. La pasarela del segundo piso estaba en realidad suspendida de la del cuarto piso (figura 19b). Como resultado de ello, la conexin entre la viga transversal del cuarto piso y la pndola soportaban el doble de la carga originalmente prevista, y no resistieron. Al parecer, la alteracin la recomend un ingeniero que no haba formado parte del proyecto original y que estaba especializado en reducir

costes. Desgraciadamente, no entendi la importancia de los detalles alterados: tampoco ninguna de las dems partes involucradas haba advertido los efectos de la alteracin. Una vez ms, el fallo en un detalle no habra causado el colapso si otro factor no hubiera producido un incremento importante de la carga. En este caso, como en la mayora de los colapsos, la falta de comunicacin fue la causa de que este fallo no se evitase.

306

BIBLIOGRAFA ADICIONAL
3. RESUMEN FINAL
Incluso en trabajos rutinarios conformes a reglamentos reconocidos, el error se debe la mayora de las veces a un lapsus que el trabajo en equipo y la vigilancia, por una vez, no han remediado. En este lapsus pueden concurrir la mala suerte, una consideracin inadecuada del comportamiento fundamental de la estructura propuesta, unos mrgenes de seguridad demasiado estrechos para prever los fallos humanos, y mtodos de clculo o construccin inexactos. El estudio de algunos accidentes estimula la investigacin, por ejemplo, del comportamiento del pandeo de estructuras de chapa y lmina. Algunos casos indican la necesidad de revisar las bases de los reglamentos o mtodos de proyecto. El xito o el fracaso, no dependen, en ltima instancia, del trabajo de los reglamentos, sino de las personas; el xito depende principalmente del ingeniero y de su equipo.

La sociedad demanda un alto nivel de seguridad en las estructuras de ingeniera civil. Cuando una estructura falla, puede cobrarse muchas vidas y su reconstruccin puede exigir recursos considerables. Las estructuras rara vez fallan por una nica causa; normalmente se dan varios factores concurrentes. Las estructuras presentan con frecuencia los mayores riesgos durante la construccin. Las estructuras descritas en esta leccin fallaron por una o varias de las siguientes causas: mala comunicacin. error de proyecto o falta de entendimiento del comportamiento estructural. un problema relacionado con el material que cause el colapso de la estructura, aunque su comportamiento sea razonablemente bien entendido por el proyectista. errores en el detalle o escasas reglas de detalle, causados por una falta de comprensin o de verificacin. obras provisionales inadecuadas, falta de previsin de un estado provisional o del proceso de montaje. Los errores no son, de ninguna manera, prerrogativa de la ignorancia o la incompetencia.

4.

BIBLIOGRAFA ADICIONAL

1. Smith, D. W., Bridge Failure, Proc. Instn. Civ. Engrs., Part 1, 1976, 60, August, pp 367-382. 2. Roik, K., Betrachtungen ber die Bruchursachen der neuen Wiener Donaubrcke, Tiefbau, Vol. 12, p1152, 1970.

307

DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS DEL TOMO 2: CONSTRUCCIN EN ACERO. INTRODUCCIN AL DISEO

309

T2c1 Estructura de prtico durante el montaje

T2c2 Vista exterior de estructura de prtico finalizada

T2c3 Vista interior de estructura de prtico finalizada

T2c4 Estructura de prtico simple

T2c5 Prticos simples en ejecucin

T2c6 Estructura de prticos simples finalizada

T2c7 Estructura de prticos simples finalizada

T2c8 Estructura de prticos simples durante el montaje

311

T2c9 Instalaciones de Seat-Volkswagen en Martorell. Barcelona. Espaa

T2c10 Montaje de estructura espacial

T2c11 Iluminacin con claraboyas

T2c12 Taller con puente gra

T2c13 Taller con puente gra

T2c14 Refinera

T2c15 Solmer en Fos Mer. Francia

T2c16 Instalaciones fabriles. Chalons sur Soane, Francia

312

T2c17 Ejemplo de estructura espacial durante el montaje. Val de Marne, Francia

T2c18 Torre de control de los ferrocarriles belgas. Antwerp, Blgica

T2c19 Astillero - Giessen de Noord, Holanda

T2c20 Centro Gnesis, Warrington, Reino Unido

T2c21 Almacn, Potasas del Congo

T2c22 Nave almacn Jakem, Munchwilen, Aargau, Suiza

T2c23 Nave almacn Jakem, Munchwilen, Aargau, Suiza

313

T2c24 Planta icineradora de Creteil, Val de Marne, Francia

T2c25 Oficinas centrales BMW, Bracknell, Reino Unido

T2c26 Imprenta, Financial Times, Docklands, Londres, Reino Unido

T2c27 Trabajos de pintura, Western Morning News, Plymouth, Reino Unido

T2c28 Fbrica de Landis y Gyr en Montlucon (allier), Francia

T2c29 Fbrica de bienes de equipo de Cummins, Shotts, Lanarkshire, Reino Unido

314

T2c30 Bespak, Kings Lynn, Reino Unido

T2c31 Sistema Patera

T2c32 Canal del Centro, ascensor en Strepy-Thieu, Blgica

T2c33 Estacin de Autobuses, Eindhoven, Holanda

T2c34 Estacin elevadora, Rotterdam, Holanda

T2c35 Instalacin trmica, La Defense, Paris, Francia

T2c36 Instalacin trmica, Mons en Bareuil, Francia

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T2c37 Fbrica de LOreal, Aulnay sous Bois, Paris, Francia

T2c38 Estacin de bomberos, Npoles, Italia

T2c39 Fbrica Mellor, Hathersage, Derbyshire, Reino Unido

T2c40 Fbrica de produccin, Coburg, Alemania

T2c41 VAG Contact Centre, Kortnberg, Blgica

T2c42 Proyecto Hartcliffe, para W.D.& H.O. Will, Bristol, Reino Unido

T2c43 Aparcamiento municipal, Luxemburgo (622 plazas)

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T2c44 Fleetguard International Corp., Quimper, Brittany

T2c45 Inmos, Newport, Gales, Reino Unido

T2c46 Schlumberger, Cambridge, Reino Unido

T2c47 Centro Renault, Swidon, Reino Unido

T2c48 Hangar

T2c49 Construccin de pasarela peatonal

T2c50 Patscenter, Princeton, New Jersey, EEUU

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T2c51 Puente de vigas armadas en autopista, Normanda

T2c52 Puente de vigas en celosa

T2c53 Puente de celosa en Cavaillon, Francia

T2c54 Puente de ferrocarril de tablero continuo

T2c55 Puente Temmon, Kumamoto Prefecture, Japn

T2c56 Pasarela utilizando celosas sobre tablero

T2c57 Pasarela junto al Museo Bottrop, Alemania

T2c58 Pasarela utilizando vigas virendel sobre tablero

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T2c59 Puente de unin en acero y vidrio

T2c60 Puente de celosa triangular para oleoducto

T2c61 Puente Gschnitztal, Tirol, Austria

T2c62 Puente de vano simple y mnsulas laterales

T2c63 Puente Ouse, Reino Unido

T2c64 Puente de ferrocarril La Mulatiere sobre el Ro Soane en Lyon, Francia

T2c65 Puente de Grenelle, Paris, Francia (1965)

T2c66 Puente Chevire sobre el Loira en Nantes, Francia (1992)

319

T2c67 Viaducto de Martigues

T2c68 Puente Paolo Alfonso, Brasil

T2c69 Puente de Chapina, Sevilla, Espaa

T2c70 Puente de viga Cajn, en construccin

T2c71 Puente sobre el canal, Moselle, Francia

T2c72 Puente Neuwied sobre el Rhin, Alemania

T2c73 Puente Guillermo el Conquistador, Rouen, Francia

T2c74 Puente Theodor-Heuss, Dusseldorf, Alemania

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T2c75 Puente Fina, Felut, Blgica

T2c76 Puente Queen Elisabeth, Dartford, Reino Unido

T2c77 Puente atirantado, Rees, Alemania

T2c78 Puente Friedrich Elbert, Bonn, Alemania

T2c79 Puente atirantado, Pont de Seyssel (Ain), Francia

T2c80 Pasarela atirantada, El Havre, Francia

321

T2c81 Puente St. Nazaire, Brittany, Francia (1974)

T2c82 Puente del Alamillo, Sevilla, Espaa

T2c83 Pasarela, Dusseldorf, Alemania

T2c84 Puente Tweede van Brienenoordbrug, Rotterdam, Holanda

T2c85 Puente de ferrocarril (totalmente soldado), Dusseldorf, Alemania

T2c86 Puente colgante, Bedford, Reino Unido

T2c87 Puente curvo atirantado, Brisbane, Australia (1988)

T2c88 Puente sobre el Canal Albert en Hermalle Argentau, Blgica

322

T2c89 Puente de la Barqueta, Sevilla, Espaa

T2c90 Puente de Tancreville, El Havre, Francia

T2c91 Puente Severn, Bristol, Reino Unido

T2c92 Viaducto Maupre Valley, Charolles, Francia

T2c93 Viaducto Oberargen, Alemania

T2c94 Puente basculante y puente de mnsulas sobre Oude Maas bij Dordrecht, Holanda

T2c95 Puente sobre el Bsforo

323

T2c96 Puente basculante de carretera, Francois primero en el Havre, Francia

T2c97 Puente basculante Martrou, La Rochelle, Francia

T2c98 Viaducto Oberargen, Alemania

T2c99 Apoyos de puente

T2c100 Apoyos de puente, ferrocarril Limony, Ardeche, Francia

T2c101 Anclaje a travs del tablero, Puente sobre el Rhin, Karlsruhe, Alemania

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T2c102 Apoyos de puente

T2c103 Unin de anclaje a viga rigidizada

T2c104 Silleta de anclaje

T2c105 Unin de colgante a viga rigidizada, Puente Humber, Reino Unido

T2c106 Vigas transversales

T2c107 Detalle anclajes pasantes, Speier (Rhin), Alemania

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T2c108 Ensanchamiento de puente mixto, mostrando el equipamiento de construccin

T2c109 Puente de carretera sobre el Nive en Bayona, Francia (1991)

T2c110 Ensanchamiento de puente (puente antiguo a la izquierda, nuevo a la derecha)

T2c111 Detalle de vigas longitudinales y transversales

T2c112 Puente de ferrocarril en Oxted, Surrey, Reino Unido

T2c113 Estructura de edificio comercial

T2c114 Vista interior, estructura mixta

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T2c115 Instalaciones bajo el forjado

T2c116 Las vigas alveoladas y celosas permiten acomodar instalaciones

T2c117 Vigas con agujeros circulares tambin permiten paso de instalaciones

T2c118 Las instalaciones pueden pasar a traves de huecos en el forjado

T2c119 Montaje de celosas sobre pilares compuestos

T2c120 Retcula de vigas aligeradas para vanos grandes y servicios en dos direcciones

T2c121 For jados integrados reducen considerablemente el canto total

T2c122 El forjado integrado proporciona el apoyo de losa en el ala inferior de la viga

327

T2c123 Viga escandinava de forjado integrado

T2c124 Viga de Arbed de forjado integrado

T2c125 Los forjados integrados dan una mayor libertad al diseo de las instalaciones

T2c126 Forjado integrado con pilares con capitel

T2c127 Instalaciones y servicios pueden disponerse sobre el forjado

T2c128 Arriostramientos en cruz dan rigidez lateral. Edificio de oficinas en Alemania

T2c129 Si se requieren ncleos rgidos se utilizan las escaleras o cajas de ascensores

328

T2c130 Edificio de Siemens en Saint-Ouen lAumone, Francia (1974)

T2c131 1, 2 y 3 New Square, Bedfont Lakes, Reino Unido

T2c132 Edificio de la Sociedad Hearts of Oak Benevolence, Londres, Reino Unido

T2c133 1, 2 y 3 New Square, Bedfont Lakes, Reino Unido

T2c134 En general la losa proporciona suficiente rigidez horizontal en forjados integrados

T2c135 N 1 de Avenida Finsbury, Londres, Reino Unido (1985)

329

T2c136 Se pueden utilizar uniones rgidas para la estabilidad lateral

T2c137 Edificio de oficinas Brussimmo, Rue Belliard, Rue de Treves, Bruselas, Blgica

T2c138 Baltic Quay, Londres, Reino Unido

T2c139 Lilla Bommen, Gothenburg, Suecia

T2c140 Hotel Riyadh Palace, Arabia Saudi

T2c141 Oficinas de 3M, Cergy-Pontoise, Francia

330

T2c142 Royal Belge Assurance, Bruselas, Blgica

T2c143 Centro de TV, Ginebra, Suiza

T2c144 Billingsgate, Londres, Reino Unido

T2c145 Pirmide Audiovisual, Woluwe St Lambert, Bruselas, Blgica

T2c146 Hemiciclo del Parlamento de Luxemburgo, para el Consejo de Europa

T2c147 Hemiciclo del Parlamento de Luxemburgo, para el Consejo de Europa

331

T2c148 Universidad de Pars, Villetaneuse, Francia

T2c149 The Ark, Hammersmith, Reino Unido

T2c150 Centro Juegos Olmpicos de Invierno CIRTV, Moutiers, Francia

T2c151 Edificio B3, Stockley Park, Londres, Reino Unido

T2c152 Pabelln Britnico, Sevilla, Espaa

T2c153 Maison de Irn, Pars, Francia

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T2c154 Conservatorio de Msica de Montreuil, Francia

T2c155 Pabelln Britnico, Sevilla, Espaa

T2c156 Banco Nacional de Pars- Agencia de Point-aPitre, Guadaloupe

T2c157 NorCon House, Hanover, Alemania

T2c158 Technopole 2000- Cescom en Metz, Moselle, Francia (1991)

T2c159 Embankment Place, Londres, Reino Unido

333

T2c160 Embankment Place, Londres, Reino Unido

T2c161 First Exchange House (Broadgate fase 11), Londres, Reino Unido

T2c162 Bush Lane House, Londres, Reino Unido

T2c163 Edificio de la UNESCO, Pars, Francia

T2c164 Lloyds Chambers, Londres, Reino Unido

T2c165 SAS HQ, Frosundavik, Suecia

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T2c166 Chester-le-Street, Durham, Reino Unido

T2c167 Lloyds de Londres, Reino Unido

T2c168 Victoria Plaza, Londres, Reino Unido

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