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INTRODUCCION A LA
DOCENTE: ING. RICARDO
INGENIERIA ESTRUCTURAL
1. INTRODUCCIÓN
Los ingenieros estructurales se aseguran que sus diseños satisfagan un
estándar para alcanzar objetivos establecidos de seguridad (por ejemplo, que
la estructura no se derrumbe sin dar ningún aviso previo) o de nivel de servicio
(por ejemplo, que la vibración en un edificio no moleste a sus ocupantes).
dicionalmente, son responsables por !acer uso eficiente del dinero "
materiales necesarios para obtener estos objetivos. lgunos ejemplos simples
de ingenier#a estructural lo constitu"en las vigas rectas simples, las columnas o
pisos de edificios nuevos, inclu"endo el cálculo de cargas (o fuerzas) en cada
miembro " la capacidad de varios materiales de construcción tales
como acero, madera u !ormigón. $jemplos más elaborados de ingenier#a
estructural lo constitu"en estructuras más complejas, tales como puentes o
edificios de varios pisos inclu"endo rascacielos.
2. DEFINICIÓN
La ingenier#a estructural es una rama clásica de la ingenier#a civil que se ocupa
del diseño " cálculo de la parte estructural en elementos " sistemas
estructurales tales como edificios, puentes, muros (inclu"endo muros de
contención), presas, túneles " otras obras civiles. %u finalidad es la de
conseguir estructuras seguras, resistentes " funcionales. $n un sentido
práctico, la ingenier#a estructural es la aplicación de la mecánica de medios
continuos para el diseño de estructuras que soporten su propio peso (cargas
muertas), más las cargas ejercidas por el uso (cargas vivas), más las cargas
producidas por eventos de la naturaleza, como vientos, sismos, nieve o agua.
3. PRINCIPIOS ESTRUCTURALES
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&ebe entenderse como una carga estructural aquella que debe ser incluida en
el cálculo de los elementos mecánicos (fuerzas, momentos, deformaciones,
desplazamientos) de la estructura como sistema "'o de los elementos que la
componen. Las cargas estructurales son generalmente clasificadas como
cargas muertas que actúan de forma continua " sin cambios significativos,
pertenecen a este grupo el peso propio de la estructura, empujes de l#quidos
(como en un dique) o sólidos (como el suelo en un muro de contención),
tensores (como en puentes), presfuerzo, asientos permanentes cargas vivas
que son aquellas que var#an su intensidad con el tiempo por uso o e*posición
de la estructura, tales como el tránsito en puentes, cambios de temperatura,
maquinaria (como una prensa), acumulación de nieve o granizo, etc+tera
cargas accidentales que tienen su origen en acciones e*ternas al uso de laestructura " cu"a manifestación es de corta duración como lo son los eventos
s#smicos o ráfagas de viento.
lgunos principios básicos del cálculo estructural son
• Aleatoriedad e incertid!"re# sobre el valor de las cargas actuantes,
por lo que estas deben ser tratadas como variables aleatorias por lo que
un cálculo estructural seguro inclu"e determinar valores estad#sticos
asociados a la densidad de probabilidad de cada carga. s# se define el
valor caracter#stico de una carga de efecto desfavorable como el valor
tal que
-ara los cálculos se define el valor de dimensionado o valor de cálculo
que es un valor ma"or dado calculado a partir del valor caracter#stico "
los correspondientes coeficientes de seguridad como
&onde es el coeficiente de ma"or variación de fuerzas.
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• $%todo de lo& e&tado& l'!ite&# muc!as instrucciones t+cnicas "
m+todos recomendados usan este m+todo consistente en identificar un
conjunto de situaciones potencialmente peligrosas para la estructura,
cuando el valor de cierta magnitud supera un cierto umbral. $l cálculoestructural consiste en identificar un conjunto de magnitudes relevantes
" comprobar que para todas ellas se cumple que
&onde es valor de cálculo previsto o valor demando con una
probabilidad alta a lo largo de la vida útil de la estructura " es el
valor último (o capacidad má*ima) que es capaz de proporcionar la
estructura por sus caracter#sticas. %i el valor de cálculo previsto no
supera en ningún caso la capacidad potencial de la estructura, se juzga
que la estructura mantendrá la integridad estructural " será segura para
su uso establecido.
• (i)*te&i& de car+a# dadas las incertidumbres e*istentes sobre una
estructura, " las diferentes condiciones en que puede trabajar, no
resulta posible determinar mediante un único cálculo o combinación de
cargas el efecto general de las cargas. -or esa razón la ma"or#a de
instrucciones t+cnicas establecen diferentes combinaciones de carga,
que en su conjunto reproducen situaciones cualitativamente diferentes
que pueden ocurrir durante la vida útil de una estructura.
,. ELE$ENTOS ESTRUCTURALES
$lemento estructural es cada una de las partes diferenciadas aunque
vinculadas en que puede ser dividida una estructura a efectos de su diseño. $l
diseño " comprobación de estos elementos se !ace de acuerdo con los
principios de la ingenier#a estructural " la resistencia de materiales.
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Cla&i-icaci*n de lo& Ele!ento&
Unidi!en&ionale& idi!en&ionale&
Solicitacione&)redo!inante&
recto& cr/o& )lano& cr/
le*ión viga
recta, dintel, arquitrabe
viga
balcón, arco
placa, losa, forjado, muro
de contención
lámina, c
/racción cable tensado catenaria membrana elástica
0ompresión pilar muro de carga
• Di!en&ionalidad del ele!ento# según puedan ser modelizados como
elementos unidimensionales (vigas, arcos, pilares, etc.),
bidimensionales (placas, láminas, membranas) o tridimensionales.
• For!a +eo!%trica 0o )o&ici*n# la forma geom+trica concreta afecta
a los detalles del modelo estructural usado, as# si la pieza es recta
como una viga o curva como un arco, el modelo debe incorporar estas
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diferencias, tambi+n la posición u orientación afecta al tipo de estado
tensional que tenga el elemento.
• E&tado ten&ional 0o &olicitacione& )redo!inante&# los tipos de
esfuerzos predominantes pueden ser tracción (membranas "
cables), compresión (pilares), fle*ión (vigas, arcos, placas, láminas)
o torsión (ejes de transmisión, etc.).
Ele!ento& lineale&
• erticale& co!)ri!ido& 0 recto&# 0olumna (sección circular)
o pilares (sección poligonal), pilote (cimentación).
• (ori4ontale& -le5ionado& 0 recto&# viga o arquitrabe, dintel, zapata
corrida para cimentación, correa de sustentación de cubierta.
• Dia+onale& 0 recto&# 1arras de arriostramiento de cruces de %an
ndr+s, barras diagonales de una celos#a o entramado triangulado, eneste caso los esfuerzos pueden ser de fle*ión tracción dominante o
compresión dominante.
• Fle5ionado& 0 cr/o&# que corresponden a arcos continuos cuando
los esfuerzos se dan según el plano de curvatura o a vigas
balcón cuando los esfuerzos son perpendiculares al plano de curvatura.
Ele!ento& "idi!en&ionale&
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• (ori4ontale& -le5ionado& 0 )lano& como los forjados, las losas de
cimentación, " las plateas o marquesinas.
• erticale& -le5ionado& 0 )lano& como los muros de contención.
• erticale& co!)ri!ido& 0 )lano& como los muros de carga, paredes
o tabiques.
• Fle5ionado& 0 cr/o& como lo son las láminas de revolución, como
los depósitos cil#ndricos para l#quidos.
• Traccionado& 0 cr/o&# son las membranas elásticas como las
paredes de depósitos con fluidos a presión.
Ele!ento& tridi!en&ionale&
• Las m+nsulas de sustentación
• Las zapatas que presentan compresiones según direcciones cerca de la
vertical al pilar que sustentan " tracciones en direcciones cerca de la
!orizontal.
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6. Di&e7o de ele!ento& e&trctrale&
• Criterio de re&i&tencia consistente en comprobar que
las tensiones má*imas no superen ciertas tensiones admisibles para el
material del que está !ec!o el elemento.
• Criterio de ri+ide4 consistente en que bajo la acción de las fuerzas
aplicadas las deformaciones o desplazamientos má*imo obtenidos no
superan ciertos l#mites admisibles.
• Criterio& de e&ta"ilidad consistente en comprobar que desviaciones
de las fuerzas reales sobre las cargas previstas no ocasionan efectos
autoamplificados que puedan producir p+rdida de equilibrio
mecánico o inestabilidad elástica.
• Criterio& de -ncionalidad que consiste en un conjunto de
condiciones au*iliares relacionadas con los requisitos " solicitaciones
que pueden aparecer durante la vida útil o uso del elemento estructural.
Re&i&tencia
-ara comprobar la adecuada resistencia de un elemento estructural, es
necesario calcular la tensión (fuerza por unidad de área) que se da en un
elemento estructural bajo la acción de las fuerzas solicitantes. &ada una
determinada combinación o distribución de fuerzas, el valor de las tensiones es
proporcional al valor de la fuerza actuante " del tipo de elemento estructural.
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$n los elementos lineales el vector tensión en cada punto se puede e*presar
en función de las componentes intr#nsecas de tensión " los vectores tangente,
normal " binormal
2 las dos tensiones principales que caracterizan el estado de tensión de
una viga recta vienen dados por
2 a partir de a!# pueden calcularse los parámetros de la teor#as de
fallo adecuada según el material que forma el elemento estructural. $nelementos bidimensionales que se pueden modelizar apro*imadamente por
la !ipótesis cinemática de Love34irc!!off, que juega un papel análogo a la
teor#a de 5avier31ernouilli para vigas, los vectores de tensiones según planos
perpendiculares a las l#neas de curvatura vienen dado en t+rminos de los
vectores tangente a las l#neas de curvatura " el vector normal a al elemento
bidimensional mediante
Ri+ide4
La rigidez de un elemento estructural es un tensor que vincula el tensor de las
fuerzas aplicadas con las coordenadas de las deformaciones o
desplazamientos unitarios. $n un elemento estructural e*iste un conjunto de
parámetros de rigidez que relaciona las fuerzas que se producen al aplicar un
desplazamiento unitario en particular. Las coordenadas de desplazamiento
necesarias " suficientes para determinar toda la configuración deformada de un
elemento se llaman grados de libertad.
$n un material de comportamiento elástico las fuerzas se correlacionan con las
deformaciones mediante ecuaciones de l#neas rectas que pasan por el origen
cartesiano cu"as pendientes son los llamados módulos de elasticidad. $l
concepto de rigidez más simple es el de rigidez a*ial que quedó formulado enla le" de 6oo7e.
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La pendiente que correlaciona el esfuerzo a*ial con la deformación unitaria
a*ial se denomina módulo de 2oung. $n un material isotrópico la pendiente que
correlaciona el esfuerzo a*ial con la deformación unitaria lateral se
denomina coeficiente de -oisson.
$l número m#nimo de coordenadas de desplazamiento que se necesita para
describir la configuración deformada de un cuerpo se denomina número
de grados de libertad. La llamada le" de 6oo7e puede !acerse e*tensiva para
correlacionar de manera matricial la rigidez con los grados de libertad "
e*presar as# la configuración deformada del elemento o cuerpo bajo estudio.
$l concepto de rigidez puede !acerse e*tensivo a los estudios de estabilidad
en que se indaga la rigidez detrimental que ofrece la geometr#a del elemento.
Ine&ta"ilidad el8&tica
La inestabilidad elástica es un fenómeno de no linealidad que afecta a
elementos estructurales razonablemente esbeltos, cuando se !allan sometidos
a esfuerzos de compresión combinados con fle*ión o torsión.
9. PRINCIPALES SISTE$AS ESTRUCTURALES
• 0erc!as
• rmaduras planas " espaciales
• 8arcos o pórticos planos " espaciales
• %istemas combinados o duales
• %istemas de muros
• %istemas de piso
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• %istemas continuos
CERC(AS# $ste sistema combina elementos tipo cerc!a donde la disposición
de los elementos determina la estabilidad. -ueden ser planas " espaciales.
AR$ADURAS# $n este sistema se combinan elementos tipo cerc!a con
elementos tipo viga o columna unidas por articulaciones.
$ARCOS O PÓRTICOS# $ste sistema conjuga elementos tipo viga " columna. %u
estabilidad está determinada por la capacidad de soportar momentos en sus
uniones. -ueden ser planos " espaciales.
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SISTE$AS DE PISOS# 0onsiste en una estructura plana conformada por la
unión varios elementos (cáscara, viga, cerc!a) de tal manera que soporte
cargas perpendiculares a su plano. %e clasifican por la forma en que transmiten
la carga a los apo"os en bidireccionales " unidireccionales.
SISTE$AS DE $UROS# $s un sistema construido por la unión de muros en
direcciones perpendiculares " presenta gran rigidez lateral. $ste sistema es uno de
los más usados en edificaciones en zonas s#smicas.
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DO$OS CILOS : TAN;UES
SISTE$AS CO$INADOS PARA EDIFICACIONES# %e aprovec!an las
cualidades estructurales de los elementos tipo muro con las cualidades
arquitectónicas de los sistemas de pórticos. Las caracter#sticas de rigidez
lateral tambi+n se pueden lograr por medio de riostras que trabajan como
elementos tipo cerc!a.
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TIPOS DE APO:OS : CONE<IONES
-arte del modelado van en la representación de los soportes o apo"os, estos
nos proporcionan estabilidad impidiendo el movimiento.
Los tipos de apo"o se clasifican por la cantidad de grados de libertad que
restrinjan. 9an desde los más simples que restringen un solo grado de libertad
!asta los más complejos que restrinjan seis grados de libertad en el espacio.
Los más simples son rodillos, superficies lisas, uniones con cables, apo"os
basculantes, etc.
l segundo tipo, aquellos que restringen dos grados de libertad, pertenecen lasarticulaciones, las superficies rugosas, las rotulas, etc.
l tercer tipo " último en estructuras planas pertenecen los empotramientos.
APOYOS ELÁSTICOS
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%e considera como un resorte donde la fuerza de reacción es proporcional a la
deformación lineal o angular del apo"o. $ntre estos tipos podemos considerar
las zapatas sobre un lec!o elástico constituido por el suelo de fundación.