CONCEPTOS BASICOS DE INGENIERIA ESTRUCTURAL.pdf

Breve explicación de los conceptos a tomar en cuenta para el diseño estructural con programas de computo.

1. M.Sc. Ing. Carlos Córdova Rojas
www.cordovaingenieros.com

2. LA INGENIERIA ESTRUCTURAL
Laingenieríaestructuralesunaramaclásicadelaingenieríacivilqueseocupadeldiseñoy
cálculodelaparteestructuralenelementosysistemasestructuralestales
comoedificios,puentes,presas,túneles,reservorios,yotrasobrasciviles.Sufinalidadeslade
conseguirestructurasseguras,resistentesyfuncionales.Enunsentidopráctico,laingeniería
estructuraleslaaplicacióndelamecánicademedioscontinuosparaeldiseñodeestructurasque
soportensupropiopeso(cargasmuertas),máslascargasejercidasporeluso(cargasvivas),más
lascargasproducidasporeventosdelanaturaleza,comovientos,sismos,nieveoagua.

3. CONCEPTOS BASICOS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL
1.EQUILIBRIO
EQUILIBRIOESTATICO:Decimosqueuncuerposeencuentraenequilibrioestáticocuando
permaneceenestadodereposoantelaaccióndeunasfuerzasexternas.
Elequilibrioestáticoseaplicaaelcuerpoensícomoacadaunadelaspartes.
ƩFx=0;ƩFy=0;ƩFz=0
ƩMx=0;ƩMy=0;ƩMz=0
EQUILIBRIODINAMICO:Decimosqueuncuerposeencuentraenequilibriodinámicocuando
respondeconunmovimientoovibración(aceleración)controladadesuspartes(deformación)más
nodesusoportes,antelaaccióndelascargasgeneradasporsismo,viento,motoresyengeneral
aquellasexcitacionesdinámicasproducidasporlacargaviva.

4. 2.COMPATIBILIDAD.
Lasolucióndeestructurashiperestáticas,requierenademásdelascondicionesdeequilibrio,la
compatibilidadsobredeformacionesymovimientosquedebensatisfacerenelprocesode
deformacióndelaestructurabajolaaccióndelascargasconsideradas.Estassetraducenenque
debencumplirselossiguientesrequisitosfundamentales:
Condicionesdeapoyo:Ladeformacióndebesertalquesecumplanlaslimitacionesde
movimientosimpuestasporlosapoyos.
Continuidadenlosnudos:Ladeformacióndebesertalquelosextremosdelasdiferentes
barrasqueconcurrenenunnudocumplanlaslimitacionesdemovimientoimpuestasporel
correspondienteenlace.
Continuidadenlasbarras:Ladeformacióndebesertalquesemantengalacontinuidaddelas
piezasconsideradascomoelementosestructurales,esdecir,quenoseproduzcanenellas
huecosotraslapes.
Estascondicionesdecompatibilidaddebensatisfacersebajocualquierhipótesiscinemáticaquese
adoptey,enparticular,bajolahipótesisdepequeñosmovimientos.

5. DEFORMACION DE ESTRUCTURAS (ARTICULADA Y RETICULADA)

6. 3.LINEALIDAD.
Ademásdelosprincipiosbásicosdeequilibrioycompatibilidad,granpartedelosmétodosquese
empleanenlamecánicadeestructurassebasanenelprincipiodelinealidad.Elproblemade
determinarlosesfuerzosydeformacionesqueseproducenenunaestructuraporlaaccióndelas
cargaseslineal,estoes,larepuestaestructuralesunafunciónlinealdelasolicitaciónsise
admitendoshipótesisadicionales:
LinealidadGeométrica:Esdecirquelosdesplazamientosygirossonmuypequeños,se
entiendequelosdesplazamientossonpequeñoscomparadosconlasdimensionesgeométricas
delaestructura.
LinealidadMaterial:Lesdecirquelarelaciónentreesfuerzosydeformacioneseselásticay
lineal,oseaquelosmaterialesdelaestructuracumplenlaleydeHookegeneralizada.
Δ= PL / AE ε= Δ/L; σ= P / A
P / A = E(Δ/ L) => σ= Eε

7. 4.SUPERPOSICION.
Laconsecuenciadirectadelashipótesisdelinealidadeselprincipiodesuperposición,que
establecequelosefectosqueunsistemadefuerzasoriginasobreunaestructurasonigualesala
sumadelosefectosqueoriginacadaunadelasfuerzasdelsistemaactuandoporseparado.
Sinlashipótesisdelinealidadgeométricaymaterial,elprincipiodesuperposiciónnoseriavalido.

8. METODODELASRIGIDECES
Elmétodoconsisteenasignaralaestructuradebarrasunobjetomatemático,llamadomatrizde
rigidez,querelacionalosdesplazamientosdeunconjuntodepuntosdelaestructura,llamados
nodos,conlasfuerzasexterioresqueesnecesarioaplicarparalograresosdesplazamientos(las
componentesdeestamatrizsonfuerzasgeneralizadasasociadasadesplazamientos
generalizados).Lamatrizderigidezrelacionalasfuerzasnodalesequivalentesydesplazamientos
sobrelosnodosdelaestructura,mediantelasiguienteecuación:
[F] = [K] [δ]

9. METODODELASFLEXIBILIDADES
Eningenieríaestructural,elMétododeflexibilidadeselclásicométodoconsistenteen
deformaciónparacalcularfuerzasenmiembrosydesplazamientosensistemasestructurales.
Suversiónmodernaformuladaentérminosdelamatrizdeflexibilidaddelosmiembrostambién
tieneelnombredeMétododeMatrizdeFuerzadebidoalusodelasfuerzasenlosmiembros
comolasprimariamenteconocidas.
Laflexibilidadeselinversodelarigidez.Porejemplo,consideraunresortequetieneFyδcomo,
respectivamente,sufuerzaydeformación:
LarelaciónderigidezdelresorteesF=KδdondeKeslarigidezdelresorte.
Surelacióndeflexibilidadesδ=fF,dondefeslaflexibilidaddelresorte.
Porlotanto,f=1/K.

11. RIGIDEZ Y RESISTENCIA
RIGIDEZ:Eslapropiedaddeuncuerpo,elementooestructuradeoponersealasdeformaciones.
Tambiénpodríadefinirsecomolacapacidaddesoportarcargasotensionessindeformarseo
desplazarseexcesivamente.
RESISTENCIA:Eslacapacidaddeuncuerpo,elementooestructuradesoportarcargassin
colapsar.
En laResistencialo importante essoportar, aguantar, mientras que en laRigidezlo importante
es elControl de las Deformaciones y/o Desplazamientos.
LaResistenciadepende de laspropiedades mecánicas de los materiales constitutivos(Calidad del
concreto, Fluencia del acero, Resistencia mecánica, Modulo de Elasticidad, etc.), mientras que la
rigidez depende también del Módulo de Elasticidad, pero a su vez de la sección, la Inercia y la
longitud del elemento.

12. DUCTILIDAD
Laductilidadesunapropiedadquepresentanalgunosmateriales,comolasaleacionesmetálicas
omaterialesasfálticos,loscualesbajolaaccióndeunafuerza,puedendeformarseplásticamente
demanerasosteniblesinromperse,permitiendoobteneralambresohilosdedichomaterial.Alos
materialesquepresentanestapropiedadselesdenominadúctiles.Losmaterialesnodúctilesse
calificancomofrágiles.Aunquelosmaterialesdúctilestambiénpuedenllegararompersebajoel
esfuerzoadecuado,estaroturasólosucedetrasproducirsegrandesdeformaciones.
Enotrostérminos,unmaterialesdúctilcuandolarelaciónentreelalargamientolongitudinal
producidoporunatracciónyladisminucióndelaseccióntransversalesmuyelevada.

13. TIPOS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES EN ETABS
ELEMENTOS TIPO BARRAS -FRAME

14. ELEMENTOS TIPO AREAS –SHELL, MEMBRANAS O PLATES

15. ELEMENTOS SOLIDOS -SOLID

16. 1. ELEMENTOS TIPO MEMBRANA.
Nota: sólo emplear para casos de losas rectangulares.

17. PRINCIPIOS DEL ANALISIS ESTRUCTURAL

18. 2.-ELEMENTOS TIPO PLATE

19. 3.-ELEMENTOS TIPO SHELL

20. 4.-THIN VS THICK.

22. Debidoalcálculodelainerciarotacionalqueempleaelprograma,serecomiendadiscretizarenlos
modelosloselementosáreas,bienseamembranaoshell.Encasocontrario,proporcionavaloresde
períodostorsionaleselevadosqueconducenavaloresdeaceleracióndediseñomenoresyfuerzas
actuantesmenores,locualnoreflejalarealidaddeloscasosenestudio.
Elusodemembranasestápermitidosiempreycuandosetengaunasuperficierectangular,encasode
tenerotravariableserecomiendaelusodeshells.
Elusodeshellssindiscretizar,arrojaerroresenmodelos,alejándosedelarealidad.
Enlosshells,ladiscretizacióndebehacerseentodalalongitudyentrevigasdeapoyo,deéstaformase
generanleyesdemomentoadecuadassegúnlosmodelosreales.
Elusodemembranasnodiscretizadassoloserecomiendaenestructurasregulares.
5.-CONCLUSIONES

23. ELEMENTO TIPO FRAME –EJES LOCALES

24. ELEMENTO TIPO FRAME –EJES LOCALES

25. ELEMENTO TIPO SHELL –EJES LOCALES

26. ELEMENTO TIPO SHELL –EJES LOCALES

27. ELEMENTO TIPO SHELL –EJES LOCALES