Sistemas Estructurales – Ingeniería Civil

Sistemas Estructurales

Las estructuras, en el mundo de la ingeniería y la construcción, son verdaderas maravillas de la ingeniería civil. Son conjuntos de elementos cuidadosamente ensamblados que tienen la increíble capacidad de resistir las fuerzas que actúan sobre ellas, al mismo tiempo que mantienen su forma original. Estas fuerzas, que llamamos cargas o acciones, pueden ser inmensamente poderosas, y para enfrentarlas, las estructuras deben seguir un principio fundamental de la física: la acción y reacción.

Cuando una estructura se encuentra bajo la influencia de cargas, debe generar fuerzas de reacción que se opongan a estas fuerzas, siguiendo ese principio. Estas fuerzas de reacción actúan en los puntos donde la estructura está apoyada o donde se unen sus diferentes componentes, y a menudo las llamamos apoyos o coacciones.

Las expectativas de una estructura son altas. Deben cargar con peso, mantener su forma, proteger elementos delicados, ser lo más livianas posible y, sobre todo, ser estables. Además, deben cumplir con tres condiciones fundamentales:

• Estabilidad: Para mantenerse erguidas y prevenir el vuelco, el centro de gravedad de la estructura debe permanecer dentro de su base, lo más cerca posible del suelo. Para lograrlo, a veces es necesario tomar medidas como ampliar la base, agregar tirantes o empotrar la base de la estructura en el suelo.
• Resistencia: Las estructuras deben ser capaces de soportar las diversas cargas sin romperse. Esto depende de factores como su forma, el tipo de material utilizado y la cantidad de material, ya que todos los materiales tienen un límite de fuerza por unidad de superficie antes de romperse.
• Rigidez: La deformación de los componentes de una estructura debe ser mínima. Esto se logra a través de una forma adecuada de la estructura, refuerzo de las uniones mediante soldadura y el uso de triangulaciones. Los triángulos son los polígonos indeformables por excelencia, por lo que son ampliamente utilizados en estructuras. Las diagonales que se utilizan para formar triángulos se llaman arriostramientos. Sin embargo, cada estructura debe tener cierto grado de flexibilidad para lidiar con las variaciones causadas por la dilatación y contracción de los materiales, así como para absorber vibraciones y resistir movimientos sísmicos.

Elementos Estructurales

Las estructuras se componen de diversos elementos resistentes, siendo los principales los siguientes:

• Cimientos o Cimentación: Estos elementos forman un conjunto que tiene la crucial tarea de transmitir las cargas de la edificación al suelo de manera segura, garantizando la estabilidad de la estructura.
• Columnas: Son elementos verticales diseñados principalmente para resistir fuerzas de compresión, aunque también pueden enfrentar el pandeo en ciertos casos. Las columnas son esenciales para proporcionar soporte vertical en una estructura.
• Vigas: Estos elementos horizontales conectan las columnas, brindando un medio para distribuir cargas de manera eficiente a través de la estructura. Las vigas juegan un papel fundamental al transmitir fuerzas de un punto a otro.
• Muros de Carga o Portantes: Se trata de paredes que no solo cumplen una función arquitectónica, sino que también tienen una función estructural. Estos muros soportan otros elementos, como arcos, bóvedas, vigas o viguetas, desempeñando un papel clave en la resistencia de la estructura.

Tipos De Sistemas Estructurales Según La Nsr-10

De la mano de la normativa y según el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente: NSR- 10, en Colombia se pueden distinguir cuatro tipos de sistemas estructurales. Estos sistemas, cada uno con características particulares, ofrecen a los diseñadores y calculistas opciones para resolver de manera efectiva la transmisión de cargas desde una edificación hasta el terreno.

Sistema Estructural De Pórtico Resistente A Momentos

El sistema de pórtico es un sistema estructural compuesto por un pórtico espacial, resistente a momentos, esencialmente completo, sin diagonales, que resiste todas las cargas verticales y las fuerzas horizontales.

Este sistema de construcción es robusto y duradero, y sus elementos principales son las vigas y columnas que se conectan a través de nodos para formar pórticos resistentes en ambas direcciones: vertical (columnas) y horizontal (vigas). Actualmente, el material más comúnmente utilizado en su construcción es el concreto reforzado. Las vigas transmiten las cargas a las columnas, que a su vez las dirigen hacia las cimentaciones.

Una característica interesante de este sistema es que se complementa con muros de ladrillo, que, en este caso, tienen principalmente un propósito de subdividir espacios y no añaden resistencia a la estructura. Estos muros se agregan después de la construcción de los pórticos.

Además, el sistema ofrece la ventaja de permitir modificaciones en el interior de la edificación. Los muros, al no soportar cargas, tienen la capacidad de moverse sin afectar la integridad estructural, lo que facilita la apertura y cierre de espacios según las necesidades.

Una Característica importante: Es una Construcción Antisísmica.

Se trata de un sistema estructural muy eficiente debido a su simplicidad, durabilidad y flexibilidad que le aporta esa gran capacidad antisísmica. Es un sistema estructural muy flexible al tratarse columnas con poca área transversal, cuenta con suficiente libertad para desplazarse oscilatoriamente durante un sismo. Lo cual también puede ser un punto negativo, ya que el desplazamiento o también llamada deriva puede sobrepasar los límites establecidos por el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente: NSR- 10.

Sistema De Muros De Carga

Es un sistema estructural que no dispone de un pórtico esencialmente completo y en el cual las cargas verticales son resistidas por los muros de carga, y las fuerzas horizontales son resistidas por muros estructurales o pórticos con diagonales.

Existen diversas alternativas de muros que pueden clasificarse dentro de este sistema: los muros de concreto o de bloques de concreto y la mampostería de arcilla de varios tipos que se va uniendo mediante pega de mortero.

La mampostería de arcilla puede emplear bloques macizos o perforados. Las celdas que albergan el refuerzo vertical suelen llamarse dovelas, y estas se llenan con un mortero específico. Además del refuerzo vertical, se necesita refuerzo horizontal, el cual se distribuye según el diseño; sin embargo, es fundamental que este refuerzo quede completamente integrado en el mortero horizontal de unión de los bloques para que sea efectivo.

En cuanto a los muros de concreto, es una metodología de construcción industrial en donde los muros se construyen de concreto reforzado y sobre formaletas metálicas que permiten labores a mayor velocidad y grandes rendimientos. Algunas de las formaletas que son manoportables cuentan con detalles que facilitan la creación de texturas finales. La principal ventaja de esta metodología es la rapidez gracias a ser un proceso continuo y repetitivo.

Sin embargo, existe la creencia de que la mampostería reforzada es una opción económica para la eliminación de estructuras. La realidad es diferente: este sistema demanda personal altamente capacitado y rigurosas medidas de supervisión y calidad para garantizar cada fase del proceso constructivo. Aunque es cierto que, al finalizar la construcción del muro, se completa la estructura, su comportamiento adecuado depende de la calidad de los bloques, la precisa colocación del refuerzo, tanto vertical como horizontal, y el adecuado empleo del material de relleno de las dovelas.

Adicionalmente, cabe destacar que este sistema estructural dificulta cualquier modificación en los muros internos de la edificación, ya que estos muros desempeñan un papel crucial en la carga estructural. Asimismo, la arquitectura de cada piso debe ser la misma por lo que el uso de sótanos para parqueaderos es un inconveniente que se resolvería de manera costosa realizando una placa de transición, lo cual la NSR- 10 prohibió.

Muros de carga contra sismos

En lo que respecta a su capacidad de resistir los efectos de un sismo, este sistema posee una rigidez considerable, lo que le permite mantener el control sobre las deformaciones inducidas por las fuerzas horizontales generadas durante un temblor o movimiento sísmico. Esta característica es esencial para reducir los desplazamientos o cambios no deseados en la estructura, lo que a su vez contribuye significativamente a mejorar la seguridad y estabilidad del edificio en situaciones sísmicas potencialmente peligrosas.

Sistema Dual Y Sistema Combinado

El sistema dual es un sistema estructural que tiene un pórtico espacial resistente a momentos y sin diagonales, combinado con muros estructurales o pórticos con diagonales. En otras palabras, integra las ventajas de los sistemas de pórticos y los sistemas de muros de carga, proporcionando al diseñador estructural una solución que aprovecha las fortalezas de ambos sistemas.

El sistema estructural dual presenta la ventaja de proporcionar a la estructura una resistencia y rigidez lateral considerablemente mayores en comparación con el sistema de pórticos convencional. Esto lo convierte en una opción altamente eficiente para resistir fuerzas sísmicas, al tiempo que permite la distribución de espacios internos típica del sistema de pórticos. Gracias a estas características, es posible diseñar edificios de gran envergadura capaces de soportar cargas verticales significativas, así como cargas sísmicas considerables.

No obstante, es importante destacar que el comportamiento mecánico de un pórtico y un muro de carga son muy distintos, lo que significa que su diseño y cálculo deben ser realizados con mucho cuidado por parte del ingeniero estructural para evitar posibles daños graves en la estructura.

Como diferenciarlos: ¿Dual o Combinado?

El sistema estructural clasifica como Dual siempre y cuando:

• El pórtico espacial resistente a momentos, sin diagonales, esencialmente completo, sea capaz de soportar las cargas verticales.
• Las fuerzas horizontales sean resistidas por la combinación de muros estructurales o pórticos con diagonales, con el pórtico resistente a momentos el cual puede ser un pórtico de capacidad especial de disipación de energía (DES).
• El pórtico resistente a momentos, actuando independientemente, debe diseñarse para que sea capaz de resistir el 25% del cortante sísmico en la base.
• Los muros estructurales o los pórticos con diagonales deben ser responsables del 75% del cortante sísmico en la base.

En caso de no cumplir con alguna de estas condiciones, el sistema estructural será clasificado como combinado. De igual forma clasifica como sistema estructural combinado aquel en el cual las cargas verticales son resistidas por un pórtico no resistente a momentos y las fuerzas horizontales son resistidas por muros estructurales o pórticos con diagonales.

Autor

Juan Pablo Núñez Martínez

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