Análisis de edificios a base de marcos rígidos de concreto reforzado en zonas sísmicas
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 BREVE HISTORIA DE LOS EDIFICIOS
ALTOS
Los edificios altos han tenido gran auge desde
principios del siglo XX debido a la funcionalidad que
representan, ofrecen un gran espacio en su interior, utilizando
relativamente superficies de terreno muy pequeñas. Es mas
común encontrarlos en las grandes ciudades, en donde el
espacio es muy reducido y el que escasamente existe es muy
costoso. Siendo éstas las causas principales que hacen de
los edificios altos una necesidad más que una
excentricidad por parte de quienes poseen el capital para
construirlos.
Un ejemplo muy claro de lo que se acaba de mencionar es
el Distrito Federal, en donde se puede notar ya por muchas partes
diferentes edificios con alturas considerables.
Para la construcción de estos edificios se cuenta
con materiales de diversas características como lo son el
concreto y el acero, teniendo cada uno ventajas y desventajas las
cuales entran en juego a la hora de seleccionar el material que
se usará en la construcción del
edificio.
Ambos materiales han mostrado ser excelentes aliados en
la construcción de edificios altos y la elección de
uno de ellos esta principalmente en función del costo y
del tipo de cimentación que se dispondrá en tal
edificio.
En el caso de la Ciudad de México, al tener un
suelo muy inestable debido a condiciones naturales y al
abatimiento del Nivel de Aguas Freáticas, se prefiere
hacer construcciones muy ligeras, en donde el principal material
con esa característica es el acero.
Aunque el concreto ofrece también una gran
resistencia y mayor rigidez ante cargas horizontales, su uso se
esta dejando a edificios de altura baja y mediana debido a que es
un material muy pesado y su empleo en edificios altos
implicaría una cimentación de dimensiones grandes y
por lo tanto costosas.
La clasificación de los edificios en
función al número de niveles es relativa, sin
embargo, algunos ingenieros consideran la siguiente:
Edificios Bajos de 1 a 5
niveles
Edificios Medianos de 6 a 10
niveles
Edificios Altos de 11 niveles en
adelante
En otros lugares en donde el suelo ofrece resistencias
muy aceptables y en donde la carga lateral se adjudica solamente
a la ejercida por el viento ya que el sismo sería de
alguna manera insignificante, la elección del material
para la estructuración de un edificio alto, se deja en
función de variantes secundarias como son el costo y la
estética o requerimiento arquitectónico mismo del
edificio.
En este caso se estudiará el análisis y
diseño de un edificio mediano ubicado en el Distrito
Federal, por lo que se tiene que su estructuración puede
ser con acero o con concreto, al ser un edificio de tamaño
mediano, el costo en caso de que sea estructurado con acero
sería muy alto en relación a los niveles con los
que contara, por lo que se diseñara con
concreto.
Un factor que no se debe olvidar en el análisis
del edificio es el sismo, ya que experiencias pasadas en el
Distrito Federal han dejado muy claro la seriedad de este efecto,
el cual es muy significativo y su omisión puede resultar
en el colapso de la estructura.
Un edificio en su estructuración se clasifica en:
Superestructura e Infraestructura. La Infraestructura se refiere
a la parte del edificio que soportara al resto, es decir, la
cimentación. La superestructura se entiende como la parte
del edificio en la cual estarán llevándose a cabo
las acciones para las cuales fue diseñado el edificio, es
decir, la parte de uso del edificio, la cual esta ubicada a
partir del Nivel de Terreno Natural hasta el último
piso.
1.2
SUPERESTRUCTURA Y SUS SUBSISTEMAS
La superestructura esta formada por diferentes
subsistemas, los cuales trabajarán en conjunto para
satisfacer todas las necesidades propias del edificio. Entre los
subsistemas tenemos los siguientes:
Subsistema Estructural (Subsistemas
verticales y horizontales)
Subsistema Eléctrico
Subsistema Sanitario
Subsistema de Aire acondicionado
Subsistema de Elevadores, etc.
Antes de continuar se deberá entender por sistema
al conjunto de partes o componentes que se conforman de manera
ordenada para cumplir una función dada.
Ahora según este enfoque en el diseño del
sistema total, o sea el edificio, se debe de tener en cuenta la
interacción entre todos los subsistemas.
De esta manera al diseñar el edificio se debe
tomar en cuenta no solamente la eficiencia estructural, sino
también la influencia o interacción de los otros
subsistemas con la estructura, lo cual implica un posible uso de
materiales mayor que el puramente necesario por la
estructura.
En otras palabras, la interacción entre todos los
subsistemas puede conducir a que los componentes estructurales
realicen otra función además de la que
originalmente estaban contemplados para desempeñar. Por
ejemplo, un muro de carga puede ser además de un elemento
estructural, una fachada arquitectónica.
1.2.1 SUBSISTEMAS
VERTICALES
1.2.1.1 MARCOS RÍGIDOS
ESPACIALES
Este tipo de estructura esta formado por columnas y
vigas soportando diversos sistemas de piso. Los muros son de
relleno y pueden ser de diversos tipos de tabique o bloques de
elementos prefabricados. Debido a que esta clase de
estructuración es flexible, no se recomienda para alturas
grandes, algunos ingenieros estructuristas la recomiendan hasta
para edificios de 20 pisos.
Para el análisis estructural ante cargas
verticales y laterales, se usó en la tercera década
del siglo pasado el método de distribución de
momentos y posteriormente métodos como el de Cross o
Takabeya, a estos métodos se les denominó exactos,
que resultaban efectivos pero laboriosos y poco prácticos,
por lo que se presentaron otros métodos, sobre todo para
cargas laterales como el del portal modificado por Naito, Naylor,
del Cantiliver, Bowman, etc. Actualmente, con el auxilio de la
computadora, se ha recurrido a los métodos matriciales,
generándose programas de computadora, tales como el
denominado STRESS, STRUDL, NASTRAN, TABS, STAAD, RAM, por nombrar
a los más conocidos, aunque muchos ingenieros han
elaborado sus propios programas usando microcomputadoras o hasta
en calculadoras, recurriendo a métodos como el de las
subestructura para poder tener mayores posibilidades de analizar
estructuras de tamaño regular. En muchos de estos
programas se analizan estructuras ya no modelándolas como
marcos planos sino en el espacio con los cuales se obtienen
respuestas más realistas. Tal vez este tipo de
estructuración sea de mayor uso en México ya que
edificios de tamaño regular son más comunes tanto
en diferentes estados de la República como en el Distrito
Federal.
1.2.1.2 MUROS DE
CORTANTE
Esta estructuración es común en edificios
de poca altura o en casas habitación, sobre todo cuando
los muros son de mampostería, hechos de tabique, bloques
de concreto u otros tipos. De acuerdo con el tipo de muro podemos
considerar la siguiente división:
Muros de mampostería simples o no
confinados.
Muros de mampostería confinados con
dalas y castillos.
Muros diafragmas.
Muros de concreto reforzado.
Muros de concreto prefabricados y/o
presforzados.
Los muros de mampostería se usan mucho en
México, en edificios de hasta 4 o 6 niveles, en las
regiones sísmicas. En cambio los muros de concreto se han
empleado para edificios altos, para alturas mayores a las del
caso anterior, hasta 30 pisos como máximo.
La resistencia de edificios de muros, es mayor que la
hecha a base de marcos rígidos, los desplazamientos de
piso son menores para edificios altos comparables con edificios
hechos con marcos rígidos.
Las estructuras que resultan en el plano, puede ser
muros de cortante simple o muros de cortante acoplados. Los
métodos pueden ser aproximados o métodos exactos
dentro de las limitaciones de partida. Existen métodos
analíticos, basados en la resolución del modelo
matemático que se obtenga de la idealización de la
estructura, como el método de la conexión por
cortante, o métodos aproximados como el de la estructura
equivalente. Así como el poderoso método matricial
del elemento finito.
Para muros de mampostería se han hecho varias
investigaciones y existen diversas publicaciones de estos
trabajos, hechas por el Instituto de Ingeniería de la
UNAM. Actualmente se tienen dos métodos para el
diseño de muros de mampostería contenidos en las
Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de
Construcciones para el Distrito Federal, Diseño y
Construcción de Estructuras de Mampostería, estos
son el Método Simplificado de Diseño y
Método Detallado de Diseño.
1.2.1.3 MARCOS CON MUROS DE
CORTANTE O DE RIGIDEZ
En muchos edificios altos, actualmente se ha recurrido a
muros de cortante, con el objeto de aumentar la rigidez, en el
uso de la losa plana o aligerada que resulta un sistema de piso
flexible, es necesario que los elementos verticales absorban
efectos de cargas laterales, de ahí la necesidad de este
tipo de muro.
Es común que estos muros que se coloquen formando
núcleos para encerrar elevadores, escaleras o cuartos de
servicio o bien en las cabeceras. Estos muros pueden ser de
mampostería o concreto reforzado o prefabricado. Desde
luego que los muros de concreto son los que tienen mayor
resistencia. Para su análisis, existen varios
procedimientos, así como recomendaciones para el
diseño en diversos artículos y también en
los reglamentos de construcción.
En 1964, los profesores Fazlur R. Khan y John A.
Sbarounis presentaron un método iterativo para analizar
marcos con muros de cortante, método que fue muy usado
pero resulta laborioso, de aquí que se hayan buscado
métodos aproximados pero que presenten mayor rapidez como
sucede con el método de la estructura equivalente. Con el
uso de la computadora, el método del elemento finito es el
indicado a emplear, de hecho muchos programas de computadora para
el análisis estructural tienen este método. Se
recomienda usar también las Gráficas de Khan y
Sbarounis.
1.2.1.4 ESTRUCTURACIÓN
EN TUBO O TUBO ESTRUCTURADO
Este tipo de estructuración fue introducido en la
década de los sesentas, consiste en lados o
perímetros estrechamente espaciados por columnas
exteriores, conectadas con vigas, como se ilustra en la figura
1.1
La eficiencia de este sistema se deriva del
gran número de vigas rígidas actuando a lo largo de
toda la periferia, creando un gran tubo. La estructura de tubo
representa una evolución lógica de las estructuras
convencionales, reuniendo la rigidez lateral necesaria con
excelentes cualidades de torsión, así como
conservando la flexibilidad de proyecto la cual queda aislada
interiormente debido a la acción de las
columnas.
Si se visualiza la acción del sistema de tubo,
ésta resulta siempre como un muro sólido
periférico el cual obviamente actuará como una gran
viga en cantiliver con un momento de flexión en la base.
Aunque la pared este perforada con pequeños orificios
redondos abiertos, seguirá comportándose como una
viga en voladizo. En cambio, si las aberturas son grandes y
rectangulares en vez de redondas, entonces parte de las fuerzas
laterales son resistidas por el esfuerzo cortante de
deformación de las columnas y vigas, y solamente una parte
será resistida por la capacidad de deflexión del
tubo.
La relación del momento de deflexión con
el esfuerzo cortante de deformación depende de la
relación de rigideces entre las vigas y las columnas. El
rango de esfuerzo cortante dentro del rango elástico
depende de la relación de rigideces de la trabe –
columna y del numero de pisos.
El efecto de esfuerzo cortante realmente se
notará con el incremento de la rigidez en las vigas e
incrementando el número de niveles, una gran
participación de los costados de barlovento y sotavento
puede llevar la estructura de tubo a limitar la rigidez de la
misma. En suma, la estructura de tubo tiene una gran resistencia
a la torsión pero es poco usual, debido a la rigidez
localizada en toda la periferia.
1.2.1.5 TUBO EN
TUBO
Cuando el sismo o fuerza del viento empieza a ser de
gran importancia en el diseño de un edificio (alrededor de
los 40 pisos), la estructura de tubo es suplida por
un centro, creando el sistema de "tubo en tubo", el cual es
esencialmente un sistema estructural de muros al corte con todas
sus ventajas. La estructura "tubo en tubo" mas alta consta de 52
niveles y 714 pies de altura, construida en Houston, Texas cuando
menos hasta 1974. Cuando se alcanzan 70 u 80 pisos, la longitud
del tubo en tubo puede no ser un sistema lo suficientemente
rígido para que actúe al 100 por ciento de
flexión como un cantiliver. Tampoco un juego de miembros
diagonales en de la periferia del tubo crean un sistema de
armaduras exteriores en voladizo, o una conexión interior
de muros de cortante actuando como vigas ligadas a las caras
opuestas dentro de una sola unión.
Aunque el uso de las diagonales en el exterior del tubo
aún no ha sido aplicado en edificios de concreto
reforzado, su empleo ha sido estudiado en investigaciones hechas
en el Instituto Tecnológico de Illinois sobre un edificio
de 115 pisos y 1450 pies de altura. La investigación
contemplo los aspectos arquitectónicos, mecánicos,
estructurales, constructivos y de costos con lo que la
edificación es técnicamente factible y a más
bajo costo estimado que el edificio John Hancock de 100 pisos
construido en acero.
1.2.1.6 TUBO
CELULAR
Este tipo de estructuración es una alternativa de
la forma anterior arreglando de tal manera que se generan varias
celdas, ya sea por medio de columnas o de muros en ambas
direcciones, en la figura 1.1 se ilustra este tipo de
estructuración.
1.2.1.7 ESTRUCTURACIÓN
TIPO SOMBRERO O PLANTAS COLGANTES
Las estructuras tipo sombrero consisten de un
núcleo o mas localizados en el cetro de la planta del
edificio, este núcleo esta formado por muros de concreto
de donde se encuentran suspendidos los pisos. Este tipo de
estructuración puede tener muros de cortante acoplados o
no, en donde como ya se ha indicado resultan elementos
estructurales con resistencia a la torsión, cuando
presentan formas tubulares. El profesor Vitelmo V. Bertero, nos
dice que desde el punto de vista de los costos de
construcción este sistema es muy atractivo; sin embargo,
tal como se diseña y construye actualmente, existen serias
dudas respecto a su eficiencia como un sistema resistente a
sismos. Se mencionan como principales inconvenientes la falta de
hiperestaticidad, ya que no solo se tienen columnas en
cantiliver y la presencia de cargas axiales grandes en la
parte superior del núcleo, sino que también puede
producir serios efectos. Además nos dice que actualmente
no se tienen datos de su respuesta bajo sismos
severos.
Con la siguiente figura se pretende aclarar
los conceptos descritos anteriormente:
FIGURA 1.1.
DIFERENTES TIPOS DE
ESTRUCTURACIÓN
1.2.2 SUBSISTEMAS
HORIZONTALES
En las grandes o pequeñas ciudades en donde
constantemente se están construyendo edificios de dos o
más niveles, se recurre a diversos sistemas de piso. Estos
sistemas estructurales se seleccionan tomando en
consideración, la funcionalidad, la resistencia
estructural, la construcción y la economía. Estos
criterios deberán conjugarse para la elección del
sistema.
Desde el punto de vista de la funcionalidad es
importante considerar las condiciones de servicio, la
planeación del uso á que estará sujeta,
así por ejemplo la elección de columnas en lugar de
muros es mejor para la circulación de personas, las
instalaciones eléctricas, sanitarias, dúctos de
aire y drenajes. En casos especiales como en estacionamientos se
debe considerar el mantenimiento del edificio, acabados y pisos,
el destino del edificio, entre otros aspectos, esto es, los
servicios que presentará así como la seguridad en
el empleo de concretos y de aceros.
El objetivo en el diseño estructural de los
sistemas, es proporcionar una estructura resistente y
económica. Para dar la resistencia al edificio se
deberán considerar varios factores tales como las cargas,
claros y espesores, deflexiones, durabilidad, efectos del flujo,
transmisión de sonido y vibraciones. Los elementos
estructurales que constituyen el sistema de piso, no solamente
conducen las cargas verticales si no que también
proporcionarán resistencia a cargas laterales, a menos que
no se quiera y se recurra a otros elementos estructurales para
tomar estas cargas horizontales. La carga propia de la losa puede
resultar grande sobre todo en claros mayores, esto puede
reducirse recurriendo a vigas secundarias soportadas por vigas
principales o usando concreto ligero. Se dice que las losas
reticulares se pueden usar para claros grandes o también
elementos de concreto presforzado. Es importante anotar que el
peralte no es proporcional al claro, pero los claros grandes
dependen del peso y del espesor y los momentos flexionantes son
función del claro y de las cargas y condiciones de
apoyo.
Las deflexiones de losas deberán limitarse, el
comportamiento estructural es diferente para grandes
desplazamientos, estos grandes desplazamientos se generan por las
cargas, tamaño del claro y la respuesta del material, las
flechas en losas siempre serán objetables por diversas
razones tanto desde el punto de vista estructural como
funcional.
El aspecto económico en la elección del
sistema de piso, dependerá de los materiales, la cimbra,
la mano de obra especializada, por lo que será necesario
estudiar los costos de varios tipos de losas.
Los procedimientos de construcción tienen
importancia para la selección del tipo de losa,
debiéndose tomar en cuenta el sistema de
construcción, y que éste pueda ser de estructura de
concreto reforzada colada en el lugar, para lo cual se
tendrá que recurrir a cimbra, o bien por medio de
elementos prefabricados, que generalmente son elementos
elaborados fuera de obra y actualmente existen diversos tipos
como se indicará posteriormente. Otros sistemas tienen
características mixtas, esto es que se pueden tener
elementos prefabricados o presforzados y además colar en
el lugar otros elementos. Cada uno de ellos tiene sus ventajas y
desventajas. Cualquier proyecto deberá ser evaluado
individualmente, considerando las restricciones de diseño,
aprovechando los materiales del lugar, el equipo necesario, el
acceso a la obra, y la experiencia de los
constructores.
1.2.2.1 LOSAS MACIZAS
APOYADAS EN UNA DIRECCIÓN
Es un tipo de piso que consiste de una losa maciza de
espesor uniforme cuyos bordes son apoyados sobre dos vigas
paralelas las cuales transmiten la carga a las columnas; el
refuerzo de la losa va colocado en una sola dirección, de
viga a viga. La cantidad de vigas que haya en un tablero depende
principalmente de la separación entre columnas y de la
carga viva que deba soportar; la separación entre las
vigas debe ser uniforme, por lo general estarán apoyadas
en el centro de las trabes o en los tercios o cuartos de su
claro. A este tipo de construcción se le conoce
también como piso de vigas y trabes, su
construcción es fácil y la cimbra es bastante
sencilla. Son económicas para soportar cargas vivas
medianas y pesadas en claros relativamente cortos, de 1.80 m a
3.60 m; estos claros pueden aumentarse para cargas vivas ligeras,
de 200 a 300 Kg. /m2, pero al tener claros largos en este tipo de
losas se obtienen cargas muertas que por lo general son
grandes.
En la figura 1.2 se muestra un tipo de losa maciza en
una dirección, y en la figura 1.3 se observa como las
vigas secundarias se apoyan en los tercios del claro de las
trabes principales.
FIGURA 1.3.
SISTEMAS DE LOSA MACIZA Y VIGAS TRABAJANDO EN
UNA DIRECCIÓN
El concepto de losa reforzada en una
dirección se aplica cuando la losa tiene una longitud
mayor del doble de la anchura, cuando precisamente esta
relación es menor a 0.5.
1.2.2.2 LOSAS MACIZAS
APOYADAS EN DOS DIRECCIONES, LOSAS
PERIMETRALMENTE APOYADAS
Una losa maciza reforzada en dos direcciones o
perimetralmente apoyadas, es aquella que cubre tableros cuadrados
o rectangulares cuyos bordes, descansan sobre vigas a las cuales
les transmite su carga y estas a su vez a las columnas. Se supone
que los apoyos de todos sus lados son relativamente
rígidos, con flechas muy pequeñas comparadas con
las de la losa en una dirección. Estas losas aunque
estén en tableros aislados, es necesario que su
análisis se haga en forma tridimensional ya que son
elementos estructurales altamente indeterminados.
El sistema reforzado en dos direcciones indica que la
losa deberá llevar acero de refuerzo correspondiente a los
momentos calculados en dos direcciones.
Este tipo de piso es fácilmente adaptable a
diseños irregulares.
FIGURA 1.3.
LOSA MACIZA APOYADA EN DOS
DIRECCIONES
1.2.2.3 LOSAS PLANAS APOYADAS
SOBRE COLUMNAS CON CAPITELES
Una losa plana, es una losa de concreto reforzado en dos
direcciones de manera que transmita su carga directamente sobre
las columnas en que se apoya, generalmente sin la ayuda de vigas
y trabes.
Este tipo de losa se refuerza con varillas en dos
direcciones y puede tener un peralte uniforme o se puede engrosar
con un área simétrica, más o menos cuadrada
llamada ábaco, alrededor de la columna.
En pisos de este tipo se puede aumentar el tamaño
de las columnas cerca de su extremo superior formándoles
una cabeza acampanada llamada capitel. Cuando la losa no lleva
ábaco ni capitel, la losa sería completamente plana
y a este tipo de piso se le da el nombre de placa plana, la cual
se describirá más adelante.
Los pisos de losa plana son económicos en cuanto
al uso de los materiales y proporcionan una construcción
rígida; generalmente estas losas se utilizan en la
construcción de edificios industriales con cargas vivas
muy grandes. En la actualidad este sistema es muy popular en la
construcción de edificios con múltiples pisos de
oficinas en donde la flexibilidad del espacio es
requerida.
Las instalaciones de servicio pueden ser dispuestas
dentro del espesor de la losa, quedando el sistema de piso por su
misma construcción con una grata apariencia
arquitectónica.
No obstante este sistema se combina frecuentemente con
cielos suspendidos, los plafones pueden ser utilizados cuando
dúctos del sistema de aire acondicionado requieren ser
instalados.
FIGURA 1.4.
LOSAS PLANAS APOYADAS SOBRE COLUMNAS CON
CAPITELES
Largas aberturas pueden ser acomodadas en el sistema de
piso en todas las áreas excepto en la zona del tablero
rebajada donde medidas especiales son requeridas.
Economía de materiales, velocidad de
construcción y un ahorro en la altura total para alturas
libres dadas son sus principales
características.
1.2.2.4 PLACA
PLANA
Una variante en la solución de entrepisos sin
trabes perfiladas son las llamadas placas planas, formadas por
una placa de concreto de sección constante, que descarga
directamente en las columnas. El hecho de no existir trabes o
capiteles en el entrepiso, ofrece al arquitecto una mayor
elasticidad en la solución arquitectónica, lo cual,
sumando a otras ventajas que a continuación se enlistan,
las colocan entre los pisos de mayor empleo en la
actualidad:
Facilidad en el cimbrado, disminuyendo los
costos.
Facilidad en los colados.
Elasticidad en la solución de:
División interior Alumbrado Instalaciones
diversas
Reducción en la altura del edificio,
conservando la altura libre de entrepisos escogida.
Reducción del peso total del
edificio con las consiguientes ventajas estructurales.
Eliminación de falsos plafones o
rellenos, que se requieren en el caso de las soluciones
convencionales cuando las trabes sobresalen del lecho inferior o
superior de la losa.
FIGURA 1.5.
PLACA PLANA
La figura 1.6 muestra el ahorro en la
altura libre del entrepiso de la placa plana comparada con otros
sistemas de piso.
FIGURA 1.6.
AHORRO EN LA ALTURA LIBRE DE ENTREPISO DE LA
PLACA PLANA.
1.2.2.5 LOSA PLANA ALIGERADA
CON SONOVOIDES
Con este tipo de losa se logran resultados semejantes a
otros sistemas, desde el punto de vista estructural, ya que
aligeran la losa y trabajan así mismo en dos sentidos, no
obstante que aparentemente, se constituye un sistema de Vigas "I"
en un sentido; en el otro, según experiencias comprobadas
con cálculo, se integra un sistema de vigas
Vierendeel.
Los sonovoides se fabrican en longitudes del orden de
los 7 m. y de diámetros que varían de 5 a 100 cm.,
por lo que se pueden ajustar a las más diversas
solicitaciones de proyecto.
La secuela de cálculo, análisis y
diseño más empleado en estos sistemas, es por su
facilidad, la que se basa en las especificaciones del American
Concrete Institute (A.C.I.), la cuál en determinadas
ocasiones en estructuras con características ideales, se
reduce al empleo de coeficientes totalmente empíricos y de
sencilla aplicación.
Cuando no se cumplen ciertos requisitos, tales como una
cierta relación entre la longitud y el ancho del tablero,
o cuando éstos no son continuos en más de tres en
una dirección, es necesario recurrir al diseño, por
análisis elástico, siguiendo una secuela de trabajo
que por comodidad puede ser la siguiente:
Se divide virtualmente la estructura en
marcos tanto longitudinal como transversalmente.
Cada marco puede ser analizado
hiperestáticamente en su totalidad o por el método
de células parciales.
Cuantificación de momentos
flexionantes en secciones críticas.
Distribución de la flexión
entre franjas de columnas centrales.
Diseño.
Cálculo y diseño por esfuerzo
cortante en caso de ser necesario.
En la figura 1.9 se muestra un esquema mas
generalizado acerca de este tipo de sistema de losa
específicamente se trata de una planta y el corte de la
losa en cuestión.
1.2.2.6 LOSA PLANA ALIGERADA
CON BLOQUES DE POLICARBONATO
Esta es una forma muy inteligente de
disminuir cargas muertas al mismo tiempo que se logra economizar.
Ya que los bloques de Policarbonato son relativamente ligeros y
económicos.
FIGURA 1.8.
DISPOSICIÓN RECOMENDADA PARA LOS
SONOVOIDES EN UNA LOSA PLANA
1.2.2.7 LOSA PLANA ALIGERADA
CON BLOQUES DE CONCRETO
El aligeramiento de la losa puede lograrse igualmente
con bloques de concreto. En nuestro país existen varias
patentes y medidas de dichos bloques, así que el
proyectista deberá elegir los que se acomoden a sus
necesidades de proyectos.
FIGURA 1.9.
LOSA PLANA ALIGERADA CON BLOQUES DE
CONCRETO.
1.2.2.8 LOSA RETICULAR O
CELULAR CON CASETONES O DOMOS FIJOS
Está constituida por un sistema de nervaduras
ortogonales que trabajan en conjunto con bloques prefabricados,
los cuales ocupan los espacios definidos por las intersecciones
de las nervaduras como se puede observar en la siguiente
figura:
FIGURA 1.10.
ACOMODO DE LOS CASETONES EN UNA LOSA CELULAR
RETICULAR.
Cada una de las piezas que forma un bloque, es un
cajón abierto en una de sus caras (la opuesta al fondo) de
manera que al acoplarse dos de estos elementos en tal plano, se
integra una celda cerrada en todas sus caras. Estos elementos se
fabrican con un concreto de f"c = 140 Kg. /cm2, y de las
siguientes dimensiones: en planta de 65 cm. 75, y 85 cm.,
combinados indistintamente o sea 65 x 65; 65 x 75; 65 x 85; etc.;
y en alturas de 12.5, 17.5 y 20 cm, de manera que al combinarse
dos de altura igual o de distinta, se tiene una gama de peraltes
que se adaptan fácilmente a las distintas solicitaciones
de proyecto. Es recomendable instalar las de mayor peralte en
contacto con la cimbra.
En este sistema de entrepisos los moldes tienen mayor
durabilidad, debido a que la superficie de contacto del concreto
vaciado insitu con la cimbra es mínima.
Como dato constructivo resulta de interés citar
que el procedimiento de tender la tubería de
conducción del sistema de iluminación, se
efectúa ranurando los bordes de las paredes verticales del
elemento inferior de cada célula, antes de
colocar el superior; la lámpara se aloja en un bloque cuya
cara inferior tiene el recorte y los dispositivos necesarios para
su instalación.
Como se indicó al principio, las nervaduras de la
retícula, por su geometría son rectangulares, pero
en su funcionamiento trabajan como una sección tipo "I",
por incorporárseles estructuralmente los cajones, debido a
su propia adherencia y a su condición de confinamiento
(cada célula está rodeada de nervaduras), lo que da
como resultado un conjunto monolítico.
También trabajan como vigas "T" si sobre los
casetones se tiende una capa de concreto.
El refuerzo empleado en el armado de las nervaduras es
recto, estando dotadas de más refuerzo las que van entre
columnas; en las proximidades de la columna, o sea en el contorno
de ésta al nivel de la losa se reduce la dimensión
de los bloques para alojar el refuerzo de proyecto y en caso
necesario se vacía ésta zona íntegramente de
concreto reforzado.
1.2.2.9 LOSA RETICULAR O
CELULAR CON DOMOS DE PLÁSTICO DESMONTABLES
Este sistema llamado también Waffle combina el
poco peso y la rigidez de un piso nervurado con la acción
en dos direcciones de una losa plana.
Los casetones se tienen en medidas estándar o
hechos especialmente para un proyecto en particular y pueden
quedar fijos o bien ser removibles dependiendo del tratamiento de
acabado requerido.
Los casetones de plástico o domos, son de menor
peralte que la losa; quedando los bordes en contacto entre
sí, eliminándose con ello el empleo de la cimbra,
con la consiguiente economía.
FIGURA 1.11.
LOSA CELULAR CONSTRUIDA CON DOMOS DE
PLÁSTICO
Únicamente es preciso erigir la obra
falsa; los domos apoyan directamente sobre los largueros de
ésta. El descimbrado se efectúa con extrema
facilidad, a base de inyectar aire en un punto de los domos de
plástico.
El efecto de los casquetes resulta de gran
estética y no requieren aplanado por la excelente textura
de la superficie de contacto de los domos con el
concreto.
El diseño de estos sistemas se puede
hacer utilizando los métodos del American Concrete
Institute o el presentado por el Reglamento de Construcciones del
Distrito Federal en sus Normas Técnicas Complementarias
(2004).
1.2.2.10 SISTEMA DE PISO A
BASE DE BÓVEDAS SOBRE VIGUETAS
Este sistema de piso es muy utilizado en la
región del Bajío de nuestra República,
debido al sistema tradicional de construcción.
Los elementos de soporte lo constituyen viguetas "I"
prefabricadas y presforzadas. Aunque dada la demanda de estos
perfiles en acero, que con frecuencia se agotan en el mercado; la
vigueta I presforzada, a demás de ser considerablemente
más económica, tiene particulares propiedades
estructurales: Momento de Inercia más o menos veinte veces
superior y módulo de elasticidad alrededor de diez veces
menor que en una viga equivalente de acero, lo cual da como
resultado que la flecha es menor que en los perfiles de acero, a
iguales condiciones de carga. Además las viguetas de
concreto se fabrican con una ligera contra flecha (regulable por
disposición del presfuerzo).
Como a diferencia de las vigas "I" de acero, las de
concreto tienen patines de 3 cm. y peralte de 18 cm. se obtienen
entrepisos más gruesos, con las consiguientes desventajas.
En estos casos conviene recortar los tabiques para que el
aplanado del plafón sea de menor espesor, dado que el
relleno superior a base de hormigón jalisco, es más
barato.
El perfil equivalente a la vigueta de acero de 5" de
peralte cuenta con 5 varillas de alta resistencia, una en el
patín superior y cuatro en el inferior; la de cuatro
pulgadas tiene como única diferencia de 3 alambras de 5 mm
de diámetro en el lecho inferior.
Por lo general este sistema resulta más
económico en la localidad debido a la destreza y bajo
costo de la mano de obra de la región.
La capacidad de la losa puede incrementarse aumentando
el espesor de la capa de compresión a un máximo de
5 cm. o cambiando las condiciones de apoyo, etc. y de acuerdo con
nuestras especificaciones.
1.2.2.11 LOSA ARMADA CON
MALLAS DE ALAMBRE ESTIRADO EN FRÍO
Este tipo de losa se empezó a utilizar en Estados
Unidos en donde se realizaron las primeras investigaciones hechas
por el Wire Reinforcement Institute el cual en 1966
publicó un estudio titulado: "Welded Wire Fabric,
Designing and Detailing Manual for Structural Concrete
Slabs".
En nuestro país también se empezó a
utilizar este sistema de piso pero fue hasta el año de
1976 que el Investigador Carlos J. Mendoza del Instituto de
Ingeniería realizó un estudio para el Instituto del
Fondo Nacional de la Vivienda para los Trabajadores (INFONAVIT)
titulado: "Recomendaciones para diseñar y construir losas
armadas con mallas de alambre estirado en frío" El cual
aconseja que las mallas empleadas en la construcción de
losas de concreto deben cumplir con la norma DGN
B2901973 "Malla de alambre de acero soldado para
refuerzo de concreto".
En el caso de losas perimetralmente apoyadas el refuerzo
proporcionado por mallas en forma de láminas normalmente
resulta ventajoso sobre el empleo de mallas en forma de
rollos.
Sin embargo, cuando el área del acero inferior
depende en gran parte de los requisitos mínimos de los
porcentajes de acero, se puede pensar en una combinación
de mallas proporcionadas en rollo para este acero y mallas en
forma de láminas para el acero complementario.
En todos los casos, la cantidad de acero requerido por
metro de losa puede proporcionarse con una o más capas de
malla cuyas características (tamaño, calibre y
separación del alambre) pueden o no ser
iguales.
Lo anterior permite seleccionar las mallas de manera
que, olvidar el hecho de que mientras más combinaciones de
mallas se hagan las oportunidades de errores y el tiempo
requerido en la colocación serán
mayores.
1.2.2.12 LOSAS DE CLAROS
PEQUEÑOS MACIZAS O ALIGERADAS
En nuestro país día a día se hace
necesario el crear nuevos métodos constructivos para
viviendas de interés social. Esto se debe tanto a la
explosión demográfica como a lo incontrolable de
los asentamientos humanos, que suceden con mayor frecuencia en
las grandes ciudades. Es por esto que desde el año de
1968, los investigadores del Instituto de Ingeniería: J.
Díaz Padilla, R. Díaz de Cossío y R.
Guzmán R.; patrocinados por el Fondo de Operación y
Descuento Bancario a la Vivienda y La Cámara Nacional de
la Industria de la Construcción han realizado estudios
sobre losas de claros pequeños, dadas las dimensiones
pequeñas de los tableros de losa en edificios para
viviendas de interés social, que están sujetos a
cargas bajas y soportados sobre muros en la mayor parte de su
perímetro, se ha venido estudiando el comportamiento de
losas aligeradas, reforzadas solamente en su lecho bajo, bien sea
con malla de alambre estirado en frío e intersecciones
soldadas o con varillas corrugadas. No se coloca refuerzo
negativo para resistir los momentos debidos a la continuidad.
Dado que para este tipo de losas macizas de peralte
pequeño (8 cm de espesor) es sumamente dudosa,
difícil y costosa la correcta colocación del
refuerzo por momento negativo (refuerzo del lecho superior)
también a que los armados son complicados (lo que origina
costos de mano de obra y tiempos de construcción
elevados), y que por las dimensiones de éstas losas los
requisitos de armado mínimo rigen en una gran parte del
área.
1.2.2.13 SISTEMAS DE PISO DE
BOVEDILLAS
Un sistema de piso sumamente difundido y utilizado por
constructores es el de combinar vigas presforzadas planas y
dovelas de material ligero, con un colado in situ que constituye
la zona de compresión.
La viga presforzada desarrolla dos funciones: servir de
cimbra antes de efectuar el colado y ya integrada la estructura,
tomar la tensión originada por la flexión. El
bloque precolado completa la cimbra, e incluido en la losa,
proporciona un peralte mayor sin aumentar excesivamente el
peso.
La rapidez y economía de este
sistema se deriva de los pequeños volúmenes de
material que se manejan en la obra, ya que los elementos
prefabricados representan un 70% del total de la losa. El
concreto de f"c = 175 Kg./cm2 que se vacía in situ,
varía de 40 a 70 lt./m.2
dentro de este se coloca una malla de refuerzo de ¼"
destinada a absorber los esfuerzos por temperatura.
La obra falsa que se requiere para soportar las vigas
prefabricadas y sus cargas, antes de que este elemento entre en
servicio, representa una cantidad mínima que no excede de
10 Pies Tablón de madera por m2 de losa.
Existen un sin número de patentes de este
sistema, entre los que cabe mencionar el de Vibosa, Pretsa,
Katzenberger, Losa Stalton, etc. En este último sistema,
la variante la constituye el hecho de que la viga presforzada
está constituida por bloques de barro ranurados en forma
de peine, que se elaboran por procedimientos de extrusión;
por estos peines se pasa el acero de alta resistencia para
aplicar la carga de presfuerzo, misma que se transmite a los
peines por adherencia, al rellenar las ranuras con
cemento.
Con el bloque B10 se libran claros hasta de 6.50 m
con 200 Kg. de sobrecarga, pesando el techo 210 Kg. /m2. Con los
bloques tipo B21 y tipo C22 se salvan con iguales
sobrecargas, claros de 9 y 10.90 m respectivamente, con cargas
muertas de 360 y 380 Kg.
Un bloque C20 de igual ancho que el C22 se
combina con este para dar mayor peralte a la losa y conseguir con
ello mayores claros y sobrecargas.
En la patente de Armacreto los elementos de soporte se
colocan cada 75 cm. y el peralte de la losa es variable
dependiendo de la bovedilla que se utilice.
En la patente de las losas prefabricadas Katzenberger,
se utilizan como miembros de soporte largueros armados en
fábrica a base de estructura electro soldada, es decir,
constan de una armadura fabricada con acero de alta resistencia
electro soldada en forma tridimensional con estribos diagonales
continuos en forma de "V". La armadura de acero lleva un
patín o zapata precolado en fábrica de 12 x 5 cm.,
donde se integra el acero adicional según cargas y claros
a cubrir.
El acero de la armadura es de alta resistencia de 5000
Kg./cm² y el patín es de un concreto de un f"c = 250
Kg. /cm2. Las viguetas se ponen a 75 cm. y entre vigueta y
vigueta se colocan las bovedillas. Arriba de las estas se coloca
una malla electro soldada para absorber los momentos negativos,
finalmente se realiza un colado in situ para lograr una losa
totalmente monolítica.
Las principales ventajas de este sistema son la
economía y la rapidez de construcción, para la cual
no se requiere de personal especializado lográndose un
ahorro del 60% en mano de obra.
El diseño de sistemas de viguetas y bovedillas
difiere del de secciones monolíticas principalmente en dos
aspectos: se requiere estudiar cuidadosamente los efectos de las
distintas etapas constructivas y garantizar el comportamiento del
conjunto como una unidad mediante una liga adecuada entre los
elementos prefabricados y el concreto colado en el
lugar.
Las bovedillas deberán ser capaces de soportar
una carga concentrada de 100 Kg. en un área de 5 x 5 cm.
aplicada en la zona más desfavorable.
Las bovedillas se consideraran como relleno y no
tendrán ninguna función estructural.
1.2.2.14 LOSA DE CONCRETO
COLADA EN SITIO SOBRE VIGAS DE ACERO
Existen, en teoría, un número considerable
de opciones que implican variaciones en los materiales, tipos de
sistemas, formas, disposición, y detalles
específicos en la construcción de un sistema de
piso.
Como alternativa se tiene el sistema de losa de concreto
colada in situ sobre vigas de acero como lo muestra la
figura 1.14
FIGURA 1.15.
LOSA DE CONCRETO COLADA EN SITIO SOBRE VIGAS
DE ACERO.
El uso de dispositivos soldados en la parte superior de
las vigas de acero permitiría el desarrollo de una
acción compuesta entre la losa de concreto y las vigas de
acero, lo que daría por resultado una reducción en
las dimensiones de las vigas típicas.
1.2.2.15 LOSAS DE CONCRETO
PREFABRICADAS SOBRE VIGAS DE ACERO
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