Elemento estructural

Estructura III - Arquitectura

1. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
SANTIAGO MARIÑO
EXTENSIÓN: PUERTO ORDAZ
ESCUELA DE ARQUITECTURA


RICHARD BRITO C.I: 26.649.898

ELEMENTO ESTRUCTURAL
Elemento estructural es cada una de las partes diferenciadas, aunque
vinculadas, en que puede ser dividida una estructura a efectos de su diseño.
El diseño, cálculo y comprobación de estos elementos se hace de acuerdo
con los postulados de la resistencia de materiales en el ámbito de la
arquitectura, la ingeniería civil, la ingeniería mecánica y la ingeniería
estructural.

Clasificación de los elementos estructurales
En el caso de las construcciones estos tienen nombres que los identifican
claramente (aunque en el mundo hispanoparlante estos nombres pueden
cambiar en cada país). Básicamente los elementos estructurales pueden
tener estados de tensión uniaxiales, biaxiales o triaxiales según su

2. dimensionalidad y, según cada una de las direcciones consideradas, pueden
existir tanto tracciones como compresiones. Dicho estado puede ser uniforme
en ciertas secciones transversales, o variar dentro de la sección.
Los elementos estructurales suelen clasificarse en virtud de tres criterios
principales:
Dimensionalidad del elemento, según puedan ser modelizados como
elementos unidimensionales (pilares, vigas, arcos), bidimensionales (placas,
láminas, membranas) o tridimensionales.
Forma geométrica y/o posición, la forma geométrica concreta afecta a los
detalles del modelo estructural usado; así si la pieza es recta como una viga
o curva como un arco, el modelo debe incorporar estas diferencias, también
la posición u orientación afecta al tipo de estado tensional que tenga el
elemento.
Estado tensional y/o solicitaciones predominantes, los tipos de esfuerzos
predominantes pueden ser tracción (membranas y cables), compresión
(pilares), flexión (vigas, arcos, placas, láminas) o torsión (ejes de transmisión,
etc).
Elementos lineales
Los elementos lineales o unidimensionales o prismas mecánicos, están
generalmente sometidos a un estado de tensión plana con esfuerzos
tensiones grandes en la dirección de línea baricéntrica (que puede ser recto
o curvo). Geométricamente son alargados siendo la dimensión según dicha
línea (altura, luz, o longitud de arco), mucho mayor que las dimensiones
según la sección transversal, perpendicular en cada punto a la línea
baricéntrica. Los elementos lineales más comunes son según su posición y
forma:
Verticales, comprimidos y rectos: Columna (sección circular) o pilares
(sección poligonal), pilote (cimentación).
Horizontales, flexionados y rectos: viga o arquitrabe, dintel, zapata corrida
para cimentación, correa de sustentación de cubierta.

3. Diagonales y rectos: Barras de arriostramiento de cruces de San Andrés,
barras diagonales de una celosía o entramado triangulado, en este caso los
esfuerzos pueden ser de flexión tracción dominante o compresión dominante.
Flexionados y curvos, 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.
Elementos bidimensionales
Los elementos planos pueden aproximarse por una superficie y tienen un
espesor pequeño en relación a las dimensiones generales del elemento. Es
decir, en estos elementos una dimensión, llamada espesor, es mucho menor
que las otras dos. Pueden dividirse según la forma que tengan en elementos:
Horizontales, flexionados y planos, como los forjados, las losas de
cimentación, y las plateas o marquesinas.
Verticales, flexionados y planos, como los muros de contención.
Verticales, comprimidos y planos, como los muros de carga, paredes o
tabiques.
Flexionados y curvos, como lo son las láminas de revolución, como los
depósitos cilíndricos para líquidos.
Traccionados y curvos son las membranas elásticas como las paredes de
depósitos con fluidos a presión.
Aunque pueden obtenerse otros cuando se combinan.
Elementos tridimensionales
Los elementos tridimensionales o volumétricos son elementos que en
general presentan estados de tensión biaxial o triaxial, en los que no
predomina una dirección dimensión sobre las otras. Además estos elementos
suelen presentar tracciones y compresiones simultáneamente según
diferentes direcciones, por lo que su estado tensional es complicado. Entre
este tipo de elementos están:
Las ménsulas de sustentación

4. Las zapatas que presentan compresiones según direcciones cerca de la
vertical al pilar que sustentan y tracciones en direcciones cerca de la
horizontal.
Diseño de elementos estructurales
Los elementos estructurales son diseñados, es decir, calculados o
dimensionados para cumplir una serie de requisitos, que frecuentemente
incluyen:
Criterio de resistencia, consistente en comprobar que las tensiones
máximas no superen ciertas tensiones admisibles para el material del que
está hecho el elemento.
Criterio de rigidez, consistente en que bajo la acción de las fuerzas
aplicadas las deformaciones o desplazamientos máximo obtenidos no
superan ciertos límites admisibles.
Criterios de estabilidad, consistente en comprobar que desviaciones de
las fuerzas reales sobre las cargas previstas no ocasionan efectos
autoamplificados que puedan producir pérdida de equilibrio mecánico o
inestabilidad elástica.
Criterios de funcionalidad, que consiste en un conjunto de condiciones
auxiliares relacionadas con los requisitos y solicitaciones que pueden
aparecer durante la vida útil o uso del elemento estructural.
Resistencia
Para 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. Dada una
determinada combinación o distribución de fuerzas, el valor de las tensiones
es proporcional al valor de la fuerza actuante y del tipo de elemento
estructural.
Rigidez
La rigidez de un elemento estructural es un tensor que vincula el tensor de
las fuerzas aplicadas con las coordenadas de las deformaciones o

5. desplazamientos unitarios. En un elemento estructural existe un conjunto de
parámetros de rigidez que relaciona las fuerzas que se producen al aplicar
un desplazamiento unitario en pa rticular. Las coordenadas de
desplazamiento necesarias y suficientes para determinar toda la
configuración deformada de un elemento se llaman grados de libertad.
En un material de comportamiento elástico las fuerzas se correlacionan
con las deformaciones mediante ecuaciones de líneas rectas que pasan por
el origen cartesiano cuyas pendientes son los llamados módulos de
elasticidad. El concepto de rigidez más simple es el de rigidez axial que
quedó formulado en la ley de Hooke.
La pendiente que correlaciona el esfuerzo axial con la deformación unitaria
axial se denomina módulo de Young. En un material isotrópico la pendiente
que correlaciona el esfuerzo axial con la deformación unitaria lateral se
denomina coeficiente de Poisson.
El número mínimo de coordenadas de desplazamiento que se necesita
para describir la configuración deformada de un cuerpo se denomina número
de grados de libertad. La llamada ley de Hooke puede hacerse extensiva
para correlacionar de manera matricial la rigidez con los grados de libertad y
expresar así la configuración deformada del elemento o cuerpo bajo estudio.
El concepto de rigidez puede hacerse extensivo a los estudios de
estabilidad en que se indaga la rigidez "detrimental" que ofrece la geometría
del elemento.
Inestabilidad elástica
La inestabilidad elástica es un fenómeno de no linealidad que afecta a
elementos estructurales razonablemente esbeltos, cuando se hallan
sometidos a esfuerzos de compresión combinados con flexión o torsión.
Estados límite
El método de los estados límites es un método usado en diversas
instrucciones y normas de cálculo (Eurocódigos, CTE, EHE, etc) consistentes
en considerar un conjunto de solicitaciones o situaciones potencialmente

6. riesgosas y comprobar que el efecto de las fuerzas y solicitaciones actuantes
sobre el elemento estructural no exceden de las respuestas máximas
asumibles por parte del elemento. Algunos de los Estados Límites típicos
son:
Estados Límite Últimos (ELU)
ELU de agotamiento por solicitación normal (flexión, tracción, compresión)
ELU de agotamiento por solicitación tangente (cortadura, torsión).
ELU de inestabilidad elástica (Pandeo, etc.)
ELU de equilibrio.
Estados Límite de Servicio (ELS)
ELS de deformación excesiva. (deformación, desplazamiento)
ELS de vibración excesiva. (vibraciones)
ELS de durabilidad (oxidación, fisuración, etc.)
Sistema Estructural
Un sistema estructural deriva su carácter único de cierto número de
consideraciones; consideradas por separados, son las siguientes:
- Funciones estructurales especificas resistencia a la compresión,
resistencia a la tensión; para cubrir claros horizontales, verticalmente; en
voladizo u horizontal.
- La forma geométrica u orientación
- El o los materiales de los elementos
- La forma y unión de los elementos
- La forma de apoyo de la estructura
- Las condiciones específicas de carga
- Las consideraciones de usos impuestas
- Las propiedades de los materiales, procesos de producción y la
necesidad de funciones especiales como desarmar o mover
Existen características para calificar los sistemas disponibles que
satisfagan una función específica. Los siguientes puntos son algunas de
estas características:

7. - Economía
- Necesidades estructurales especiales
- Problemas de diseño
- Problemas de construcción
- Material y limitación de escala
Clasificación de los Sistemas Estructurales
Estructuras Macizas: Son aquellas en las que la resistencia y la estabilidad
se logran mediante la masa, aun cuando la estructura no se completamente
sólida.
Estructuras Reticulares: Consiste en una red de elementos ensamblados
Estructuras Superficiales: Pueden tener alto rendimiento debido a su
función doble como estructura y envolvente, pueden ser muy estables y
fuertes.



Tipos De Estructuras
Muros Estructurales
Cuando este sistema se utiliza tiene dos elementos distintivos en la
estructura general del edificio:
Muros: Utilizados para dar estabilidad lateral, así como apoyo a los
elementos que cubren el claro. Generalmente son elementos a compresión.
Pueden ser monolíticos o entramados ensamblados de muchas piezas.
Aunque no se utilizan para transmisión de carga vertical se utilizan, a
menudo, para dar estabilidad lateral.
Elementos para cubrir claros: Funcionan como pisos y techos. Dentro de
estos se encuentran una gran variedad de ensambles, desde simples
tableros de madera y viguetas hasta unidades de concreto precolado o
armaduras de acero.

8. Sistema De Postes Y Vigas
El uso de troncos y árboles en las culturas primitivas como elementos de
construcción fue el origen de este sistema básico, la cual es técnica
constructiva importantes del repertorio estructural.
Los dos elementos básicos son:
Poste: es un elemento que trabaja a compresión lineal y esta sujeto a
aplastamiento o pandeo, dependiendo de su esbeltez relativa.
Viga: básicamente es un elemento lineal sujeto a una carga transversal;
debe generar resistencia interna a los esfuerzos cortantes y de flexión y
resistir deflexión excesiva. La estructura de vigas y postes requiere el uso de
un sistema estructural secundario de relleno para producir las superficies de
los muros, pisos y techos.
Algunas variaciones de este sistema son:
- Extensión de los extremos de las vigas
- Sujeción rígida de vigas y postes
- Sujeción rígida con extensión de los extremos de las vigas
- Ensanchamiento de los extremos del poste
- Viga continúa.

9. Marcos Rígidos
Cuando los elementos de un marco lineal están sujetos rígidamente, es
decir, cuando las juntas son capaces de transferir flexión entre los miembros,
es sistema asume un carácter particular. Si todas las juntas son rígidas, es
imposible cargar algunos de los miembros transversalmente sin provocar la
flexión de los demás.
Sistemas para Cubrir Claros Planos
Consiste en producir el sistema en dos sentidos del claro, en vez de uno
solo. El máximo beneficio se deriva de una claro en dos direcciones si los
claros son iguales. Otro factor importante para incrementar el rendimiento es
mejorar la característica de la flexión de los elementos que cubren el claro.
Sistema de Armaduras
Una estructura de elementos lineales conectados mediante juntas o nudos
se puede estabilizar de manera independiente por medio de tirantes o
paneles con relleno rígido. Para ser estables internamente o por si misma
debe cumplir con las siguientes condiciones:
- Uso de juntas rígidas
- Estabilizar una estructura lineal: Por medio de arreglos de los miembros
en patrones rectangulares cooplanares o tetraedros espaciales, a este se le
llama celosía.

10. Cuando le elemento estructural producido es una unidad para claro plano
o voladizo en un plano, se llama armadura. Un elemento completo tiene otra
clasificación: arco o torre de celosía.
Sistema de Arco, Bóveda y Cúpula
El concepto básico del arco es tener una estructura para cubrir claros,
mediante el uso de compresión interna solamente. El perfil del arco puede
ser derivado geométricamente de las condiciones de carga y soporte. Para
un arco de un solo claro que no está fijo en la forma d resistencia a
momento, con apoyos en el mismo nivel y con una carga uniformemente
distribuida sobre todo el claro, la forma resultante es la de una curva de
segundo grado o parábola. La forma básica es la curva convexa hacia abajo,
si la carga es gravitacional.

11. Estructuras a Tensión
La estructura de suspensión a tensión fue utilizada ampliamente por
algunas sociedades primitivas, mediante el uso de líneas cuerdas tejidas de
fibras o bambú deshebrado. Desde el punto de vista estructural, el cable
suspendido es el inverso del arco, tanto en forma como en fuerza interna. La
parábola del arco a compresión se jala para producir el cable a tensión.
El acero es el principal material para este sistema y el cable es la forma
lógica.
Estructuras de Superficies
Son aquellas que consisten en superficies extensas, delgadas y que
funcionan para resolver solo fuerzas internas dentro de ellas. El muro que
resiste la compresión, que estabiliza el edificio al resistir el cortante dentro de
un plano y al cubrir claros como una viga, actúa como una estructura de
superficie. La bóveda y la cúpula son ejemplos de este tipo.
Las estructuras de superficie más puras son las que están sometidos a
tensión. Las superficies a compresión deben de ser más rígidas que las que
soportan tensión, debido a la posibilidad de pandeo.
Sistemas Especiales
Estructuras Infladas: Se utiliza inyección o presión e aire como recurso
estructural en una variedad de formas.
Estructuras Laminares: es un sistema para moldear superficies de arco o
bóveda, utilizando una red de nervaduras perpendiculares que aparecen
como diagonales en planta.
Cúpulas Geodésicas: ideada para formar superficies hemisféricas, se
basa en triangulación esférica.
Estructuras De Mástil: existen estructuras similares a los árboles, que
tienen piernas únicas para apoyo vertical y que soportan una serie de ramas.
Requiere bases muy estables, bien ancladas contra el efecto del volteo
provocado por fuerzas horizontales.

12. Materiales Estructurales
Consideraciones Generales
En el estudio o diseño de estructuras, interesan las propiedades
particulares de los materiales. Estas propiedades críticas se pueden dividir
en propiedades estructurales esenciales y propiedades generales.
Propiedades estructurales esenciales
- Resistencia: puede variar para los diferentes tipos de fuerzas, en
diferentes direcciones, en diferentes edades o diferentes valores de
temperatura o contenido de humedad.
- Resistencia a la deformación: grado de rigidez, elasticidad, ductilidad;
variación con el tiempo, temperatura, etc.
- Dureza: resistencia al corte de la superficie, raspaduras, abrasión o
desgaste.
- Resistencia a la fatiga: pérdida de la resistencia con el tiempo; fractura
progresiva; cambio de forma con el tiempo.
- Uniformidad de estructura física: vetas y nudos en la madera,
agrietamiento del concreto, planos cortantes en la roca, efectos de la
cristalización en los metales.
Las propiedades generales
- Forma: natural, remoldada o reconstituida.
- Peso: como contribuyente a las cargas gravitacionales de la estructura.
- Resistencia al fuego: combustibilidad, conductividad, punto de fusión y
comportamiento general de altas temperaturas.
- Coeficiente de expansión térmica: relacionado con las cambios
dimensionales debidos a las variaciones de temperatura.
- Durabilidad: resistencia al clima, pudrición, insectos y desgastes.
- Apariencia: natural o modificada.
- Disponibilidad y uso.

13. La elección de materiales debe hacerse a menudo con base en varias
propiedades, tanto estructurales como generales. Se tiene que categorizar
las diversas propiedades, según su importancia.
Madera
Las limitaciones de forma y tamaño se han ampliado mediante la
laminación y los adhesivos. Las técnicas especiales de sujeción han hecho
estructuras de mayor tamaño mediante un mejor ensamble. La
combustibilidad, la podredumbre y la infestación de insectos se pueden
retardar con la utilización de impregnaciones químicas. El tratamiento con
vapor o gas amoniacal puede hacer altamente flexible a la madera,
permitiéndole asumir formas plásticas.
Acero
El acero se usa en gran variedad de tipos y formas en casi cualquier
edificio. El acero es el material más versátil de los sistemas estructurales.
También es el más fuerte, el más resistente al envejecimiento y el más
confiable en cuanto a calidad. El acero es un material completamente
industrializado y está sujeto a estrecho control de su composición y de los
detalles de su moldeo y fabricación. Tiene las cualidades adicionales
deseables de no ser combustible, no pudrirse y ser estable
dimensionalmente con el tiempo y los cambios de temperatura. Las
desventajas son su rápida absorción de calor y la perdida de resistencia
(cuando se expone al fuego), corrosión (cuando se expone a la humedad y al
aire).
Concreto
La palabra concreto se usa para describir una variedad de materiales que
tienen un elemento en común: el uso de un agente aglutinante o aglomerante
para formar una masa solida a partir de un agregado suelto inerte ordinario.
Los tres ingredientes básicos del concreto ordinario son agua, agente
aglomerante (cemento) y agregado suelto (arena y grava).

14. El concreto ordinario tiene varios atributos, el principal es su bajo costo
general y su resistencia a la humedad, la oxidación los insectos, el fuego y
los desgastes. Puede tomar una gran variedad de formas.
Su principal desventaja es la falta de resistencia al esfuerzo de tensión.
Debido a su amorfismo, su amoldeado y acabado presentan, a menudo, los
mayores gastos en su uso. El precolado de fábrica en formas permanentes
es una técnica común utilizada para superar ese problema.
Aluminio
Se usa para una gran variedad de elementos estructurales, decorativos y
funcionales en la construcción de edificios. Las principales ventajas son su
peso ligero y su alta resistencia a la corrosión. Entre las desventajas están su
suavidad, su baja rigidez, sus grandes variaciones de dimensión por su
expansión térmica, su baja resistencia al fuego y su costo relativamente alto.
Mampostería
Se usa para describir una variedad de deformaciones que constan de
elementos separados entre si por algún elemento aglutinante. Los elementos
pueden ser roca bruta o cortada, losetas o ladrillos cocidos de arcilla, o
unidades de concreto. Tradicionalmente, el aglutinante es mortero de
cemento-cal. El ensamble resultante es similar a una estructura de concreto y
posee muchas propiedades.
Dos importantes de la estructura de mampostería son la contracción del
mortero y el agrietamiento por expansión térmica.
Plásticos
Los elementos de plástico representan la mayor variedad de uso de la
construcción de edificios. Algunos de los principales problemas con los
plásticos son su falta de resistencia al fuego, escasa rigidez, expansión
térmica e inestabilidad química o física con el tiempo.
Algunos de los usos importantes en la construcción son:
- Sustituto del vidrio
- Revestimiento

15. - Adhesivos
- Elementos moldeados
- Espumas
Materiales Diversos
Vidrio: el vidrio ordinario posee considerable resistencia, paro tiene las
características indeseables de ser frágil y de fácil fragmentación por impacto.
Un tratamiento especial puede aumentar su resistencia a las cargas y al
impacto, pero es costoso para usarlo en grandes cantidades. Es inconcebible
el uso de este material en construcciones de gran escala. Sin embargo, se
usa para revestimientos, así como ventanearía transparente.
Fibra De Vidrio: es una forma fibrosa, en la cual es capaz de acercarse a
su resistencia ideal