Indice
1.
Introducción
2. Puentes
3.
Edificaciones
4. Principios de ingeniería
estructural en zonas
sísmicas
El termino ingeniería estructural se aplica a la
especialidad de la ingeniería
civil que permite el planeamiento y el
diseño
de las partes que forman el esqueleto resistente de las
edificaciones más tradicionales como edificios urbanos,
construcciones industriales, puente, estructuras de
desarrollo
hidráulico y otras.
El esqueleto estructural forma un sistema integrado
de partes, denominadas elementos estructurales: vigas, columnas,
losas, zapatas de cimentación y otros.
A menudo se requiere resolver problemas de
elevada complejidad que se resuelven mediante técnicas
de elementos finitos que obligan a penetrar en los calculo
diferencial e integral de diversas variables,
temas de álgebra
lineal, ecuaciones
diferenciales y métodos
numéricos.
El Ejercicio Profesional
La actividad profesional del ingeniero estructural se inicia con
un bosquejo arquitectónico de la futura
edificación, en el cual se comienzan a definir las
dimensiones generales tanto en planta como en alzado. Compara las
alternativas referentes al material básico de construcción: la conveniencia de usar
concreto
reforzado o preesforzado, acero, madera,
mampostería confinada o reforzada, aluminio u
otras posibilidades mas recientes. Asimismo define previamente
las dimensiones longitudinales y transversales de los elementos
estructurales. En la ingeniería estructural de las obras
urbanas, el trabajo
entre arquitectos e ingenieros resulta a menudo inseparable.
Definidas las características geométricas
preliminares se pasa al proceso de
predimensionamiento de los elementos estructurales: dimensiones
de las vigas y columnas, características de la
cimentación, definición de escaleras, muros de
contención, posición de ductos de aire
acondicionado. Luego se evalúa las cargas que
soportara la edificación: cargas muertas que son cargas
que no varían dentro de la estructura ni
a lo largo del tiempo; cargas
vivas que varían en espacio o en el tiempo, por el
ejemplo, el peso de los ocupantes y los muebles.
El ingeniero a cargo debe analizar las fuerzas de reacción
y deformaciones que del esqueleto resistentes debido a las
cargas. Para esto muchos ingenieros. Muchos ingenieros disponen
de programas
computarizados en sus oficinas para la solución de los
problemas corrientes. Algunos de los programas empleados tiene
capacidades graficas que
generan dibujos de las
fuerzas internas y deformaciones para muchos estados de carga. Si
las fuerzas internas ( torsión, momento flexor y cortante)
obtenidas del análisis resultan compatibles con las
resistentes y las deformaciones se supone terminada la primera
fase del procedimiento. Se
pueden cometer errores al confiar demasiado en los resultados
automatizados. Si algo falla y no hay quien revise el producto
automatizado puede haber consecuencias como perdidas humanas y de
capital.
Luego se procede al refinamiento del diseño: se trata de
llegar a un modelo que
resulte de modo razonable más económico y
funcional; al decir razonable queremos decir que se tenga en
cuenta la facilidad constructiva de lo que se analiza y se
diseña.
La fase de elaboración de los planos debe ser
ejecutada por ingenieros de alta experiencia buscando que en
definitiva los planos contenga lo que se debe de construir. Los
planos de construcción deben de ser claros, indicando los
materiales a
usar, detalles de refuerzo, con las indicaciones precisas de las
dimensiones y de las etapas previstas. Además deben de ser
elaborados previendo que el constructor no se vea obligado a
tomar medidas a escalas ni hacer deducciones.
El ingeniero civil maneja diversos materiales en la especialidad
estructural. Materiales homogéneos como el acero, la
madera, el aluminio. El acero es el de mayor uso en perfiles de
grandes dimensiones como los de sección I de alma llena,
canal, angulares. Otro material muy utilizado es el resultado de
la combinación del acero y el concreto, llamándose
concreto reforzado o armado. El acero se denomina por su resistencia a la
fluencia, siendo comunes las resistencias
de 2800 Kgf/Cm2 (grado 40) y 4200 Kgf/Cm2 (grado 60); los
diámetros generalmente utilizados en Republica
Dominicana son 3/8", ½", ¾" y 1", en longitudes
que varían desde los 20 hasta los 60 pies. El concreto
utilizado varia su resistencia dependiendo del elemento en que se
vaya a utilizar por ejemplo: 180 Kgf/Cm2 usado en zapatas de
muros y en construcciones de un nivel; 210 Kgf/Cm2 usados en
lozas, vigas y obras asimilables; para columnas se puede usar
desde 280 Kgf/Cm2 a 400 Kgf/Cm2.
El ingeniero estructural debe profundizar sus conocimientos sobre
el comportamiento
de los materiales con los cuales se construyen las
edificaciones.
Puente, estructura que proporciona una vía de
paso sobre el agua, una
carretera o un valle. Los puentes suelen sustentar un camino, una
Carretera o una vía férrea, pero también
pueden transportar tuberías y líneas de distribución de energía. Los que
soportan un canal o conductos de agua se llaman
Acueductos. Los puentes construidos sobre terreno seco o en un
valle y formados por un conjunto de tramos cortos se suelen
llamar viaductos; se llaman pasos elevados los puentes que cruzan
las autopistas y las vías de tren. Un puente bajo,
pavimentado, sobre aguas pantanosas o en una bahía y
formado por muchos tramos cortos se suele llamar carretera
elevada.
Los primeros puentes
Es probable que los primeros puentes se realizaran colocando uno
o más troncos para cruzar un arroyo o atando cuerdas y
cables en valles estrechos. Este tipo de puentes todavía
se utiliza. Los puentes de un tramo (llamamos tramo a la
distancia entre dos apoyos) son un desarrollo de estas formas
elementales. El método de
colocar piedras para cruzar un río, mejorado con troncos
situados entre las piedras para comunicarlas, es el prototipo de
puente de múltiples tramos. Los postes de madera clavados
en el fondo del río para servir de apoyo de troncos o
vigas permitieron atravesar corrientes más anchas y
caudalosas. Estos puentes, llamados de caballete, se utilizan
todavía para atravesar valles y ríos en los que no
interfieren con la navegación. El uso de pilas de piedra
como apoyo para los troncos o maderos fue otro avance importante
en la construcción de puentes con vigas de Madera. La
utilización de flotadores en lugar de apoyos fijos
creó el puente de pontones. Los puentes de vigas de madera
han sido los más utilizados desde la antigüedad,
aunque según la tradición se construyó un
puente de arco de ladrillos hacia el 1800 a.C. en Babilonia.
Otros tipos de construcción, como los puentes colgantes y
los cantilever, se han utilizado en la India,
China y
Tíbet. Los puentes de pontones los utilizaban los reyes
persas Darío I y Jerjes I en sus expediciones
militares.
Los romanos construyeron muchos puentes de caballete con madera,
uno de los cuales se describe con detalle en la obra Comentarios
sobre la guerra de las
Galias de Julio César. Sin embargo, los puentes romanos
que se mantienen en pie suelen sustentarse en uno o más
arcos de piedra, como el puente de Martorell cerca de Barcelona,
en España,
construido hacia el 219 a.C., y el Ponte di Augusto en
Rímini, Italia, del siglo
I a.C. El Pont du Gard en Nimes, Francia, tiene
tres niveles de arquerías que elevan el puente a 48 m
sobre el río Gard, con una longitud de 261 m; es el
ejemplo mejor conservado de gran puente romano y fue construido
en el siglo I a.C. La utilización de arcos de medio punto
derivó más tarde en la de arcos apuntados. Los
arcos modernos suelen ser escárzanos o con forma
semielíptica, ya que permiten tramos más largos sin
interrumpir la navegabilidad y con altura moderada. El puente
sobre el río Tweed (1803) en Kelso, Escocia, ejemplo de
puente de arco semielíptico, fue diseñado por el
ingeniero británico John Rennie.
Los puentes de vigas tienen limitada la longitud de los tramos
por la resistencia de las vigas. Esta limitación se supera
ensamblando las vigas en triángulos. Leonardo da
Vinci esbozó puentes de este tipo, y el arquitecto
italiano Andrea Palladio probablemente construyó varios.
En Suiza se construyeron dos puentes de vigas trianguladas en
1760. Sin embargo, la construcción de este tipo de puentes
no se desarrolló a gran escala hasta
después de 1840
Los puentes modernos
Los puentes actuales se identifican por el fundamento
arquitectónico utilizado, como cantilever o de tirantes,
colgantes, de arco de acero, de arco de hormigón, de arco
de piedra, de vigas trianguladas o de pontones. Cuando es
necesario respetar el paso de barcos por debajo del puente y no
es posible construirlo a la altura precisa se construyen puentes
móviles. A continuación se indican algunos ejemplos
importantes de los diferentes tipos de puentes.
A. Puentes de tirantes
Este tipo de puente se caracteriza porque los tramos no se
sujetan por sus extremos, sino cerca del centro de sus vigas. El
Puente de Normandía, de 2.200 m de longitud,
inaugurado en 1995, atraviesa el estuario del Sena desde Le Havre
a Honfleur, en Francia. Su tramo central tiene una longitud de
856 m. Está diseñado para soportar vientos de
hasta 120 kilómetros por hora. El puente de Forth, sobre
el estuario de Forth en Queensferry, Escocia, es un puente
ferroviario de acero con dos tramos principales de 520 m
cada uno, y una longitud total de 1,6 km; fue construido
entre 1882 y 1890 por los ingenieros John Fowler y Benjamin
Baker. El puente de Québec, sobre el río San
Lorenzo (Québec, Canadá), terminado en 1917, tiene
un tramo principal de 550 m; soporta una carretera y una
vía de tren de dos carriles. El puente de Carquinez
Strait, cerca de San Francisco, Estados Unidos,
terminado en 1927, tiene dos tramos de 335 m y unos tramos
de anclaje de 152 m; fue diseñado para resistir
terremotos. El
puente Howrah, sobre el río Hooghly en Calcuta, la India,
tiene un tramo principal de 457 m, y se inauguró en
1943. El Gran Puente de Nueva Orleans (1958) sobre el río
Mississippi (Estados Unidos) tiene un tramo principal de
480 m. El Puente de Barrios de Luna sobre el embalse de
Barrios de Luna, en España, es el mayor puente del mundo
atirantado de hormigón. Entró en funcionamiento en
1985 y cubre una luz de 440
metros.
B. Puentes colgantes o de tirantes
El ingeniero estadounidense de origen alemán John Roebling
diseñó y construyó en 1846 un puente
colgante de 308 m sobre el río Ohio en Wheeling,
Virginia, Estados Unidos. Fue el primer puente colgante de cables
construido en el mundo. El Golden Gate, en San Francisco, Estados
Unidos, inaugurado en 1937, tiene un tramo central de
1.280 m suspendido de unas torres de 227 m de altura.
Tiene un margen de altura de 67 m. El puente sobre el
estrecho del Bósforo en Estambul, Turquía, tiene un
tramo central de 1.079 m. Se inauguró en 1973 y
constituye la primera comunicación permanente de autopista entre
Europa y Asia. Hasta 1995,
el puente de Humber era uno de los puentes colgantes más
largos del mundo. Se construyó en 1980 en el estuario del
río Humber, en Inglaterra, con
un tramo central de 1.410 m. El puente colgante más
alto, 321 m sobre el nivel del agua, atraviesa el Royal
Gorge sobre el río Arkansas, en Colorado, Estados Unidos.
El puente colgante de Belgrano, situado sobre el río
Paraná, tiene una longitud de 2.000 m. En 1998 se
inauguró en Lisboa el puente Vasco da Gama, el mayor
puente de toda Europa, con casi 18 km de longitud, y casi
15 km sobre el agua. Este puente, situado en la
desembocadura del río Tajo, aliviará el
tránsito de vehículos por el puente 25 de Abril,
inaugurado en 1966 y con 1.013 m de luz. También en
1998 se abrió el puente del estrecho de Akashi, en
Japón
con un vano central de unos 1.990 metros.
C. Puentes en arco de acero
El ingeniero estadounidense James Buchanan Eads construyó
el primer puente de acero sobre el río Mississippi en
Saint Louis, Missouri, en el año 1874. El puente
ferroviario Hell Gate, sobre el río East, en Nueva York,
era el puente de arco de acero más largo del mundo cuando
se inauguró en 1917, con un tramo principal de 298 m.
El puente que atraviesa el río Niágara desde
Queenston, Ontario, Canadá, a Lewiston, Nueva York,
Estados Unidos, inaugurado en 1965, utiliza un arco de acero de
305 metros.
D. Puentes en arco de hormigón
Durante el comienzo del siglo XX, el desarrollo del
hormigón armado proporcionó grandes progresos a la
construcción de puentes con arcos de hormigón. El
puente del Esla, sobre el río Esla, en España, con
un tramo central de 197 m, se construyó en 1940. El
puente de Gladesville (1964) en Sydney, Australia, se eleva
46 m sobre el río Parramatta con un arco de
hormigón de 305 m. En Croacia se construyó un
puente de arco de hormigón de 390 m de longitud y
67 m de altura en 1979. El puente Tancredo Neves se
sitúa sobre el cañón del río
Iguazú y une la localidad de Puerto Iguazú
(Argentina) con
la ciudad de Foz do Iguaçu (Brasil).
La construcción de viaductos se ha efectuado con puentes
de arcos múltiples de hormigón. El viaducto
ferroviario Tunkhannock, en Pennsylvania, Estados Unidos (1916),
tiene 724 m de longitud y está formado por diez arcos
de 55 m y dos de 30 m. El viaducto para
automóviles Columbia, también en Pennsylvania,
tiene una longitud de 2.090 m y está formado por 28
arcos de hormigón de 56 metros.
E. Puentes en arco de piedra
El desarrollo del tren provocó la reutilización de
los arcos de medio punto en la construcción de puentes,
realizados con piedra tallada en los lugares donde esto resultaba
económico. El viaducto de piedra de Ballochmyle, que cruza
el río Ayr cerca de Mauchline, en Escocia, tiene un tramo
soportado por un arco de medio punto de 55 m. Un viaducto de
3.658 m compuesto por 222 arcos de piedra comunica la ciudad
de Venecia con tierra firme.
El tramo soportado por arco de piedra más grande, de
90 m, es el puente de Syra, en Plauen, Alemania; se
terminó en 1903. No se ha seguido construyendo puentes con
arcos de piedra por su alto coste.
F. Puentes de vigas trianguladas
La construcción de puentes con vigas de acero trianguladas
o reticuladas se ha empleado mucho por su bajo coste. Desarrollos
recientes han aumentado la longitud de los tramos, así
como la utilización de estructuras reticuladas
continuas.
En los últimos años se ha desarrollado la llamada
construcción ortotrópica, en la cual unas planchas
de acero de refuerzo actúan al mismo tiempo como soporte
de la calzada y como soporte de las vigas transversales y de las
vigas maestras longitudinales. Inaugurado en 1967, el mayor
puente de este tipo es el San Mateo-Hayward, en San Francisco,
Estados Unidos.
G. Puentes de pontones
Son puentes flotantes permanentes, a diferencia de las
estructuras temporales militares, que se instalan en lugares
donde las condiciones locales lo hacen necesario. Un puente
flotante de 466 m atraviesa el río Hooghly, en
Calcuta, la India; soporta una carretera a 8,2 m sobre el
agua con 14 pares de pontones de hierro, de
48 m de largo y 3,1 m de ancho.
H. Puentes móviles
Además de las secciones de algunos puentes de pontones,
los tramos móviles pueden ser basculantes (puentes
levadizos), giratorios o de elevación vertical,
según las necesidades locales. El primer tipo de puente
basculante fue el ala abatible de madera que servía para
cruzar el foso de los castillos y que se elevaba con cadenas
desde el interior. Este tipo de puente, con uno o dos tramos de
bisagra y contrapesados, es apropiado para vías navegables
estrechas con mucho tráfico. El Puente de la Torre (1894)
sobre el río Támesis, en Londres, es el ejemplo
más famoso de este tipo de construcción.
Los puentes giratorios tienen un tramo móvil montado sobre
un pivote o plataforma giratoria en su centro. El tramo
más largo de este tipo de puente, con 166 m, es el de
un puente para trenes y automóviles, terminado en 1927 que
cruza el Mississippi en Fort Madison, Iowa, Estados Unidos.
Los puentes de elevación vertical se utilizan para tramos
largos donde es necesario despejar toda la anchura del canal y a
una altura considerable. El tramo de elevación vertical
más largo transporta una vía de tren sobre Arthur
Kill, entre Staten Island y Elizabeth, Nueva Jersey, Estados
Unidos; se construyó en 1959. El tramo mide 170 m y
tiene un margen de altura de 9,5 m cerrado y 41 m
levantado.
Cargas de un edificio
Las cargas que soporta un edificio se clasifican en muertas y
vivas. Las cargas muertas incluyen el peso del mismo edificio y
de los elementos mayores del equipamiento fijo. Siempre ejercen
una fuerza
descendente de manera constante y acumulativa desde la parte
más alta del edificio hasta su base. Las cargas vivas
comprenden la fuerza del viento, las originadas por movimientos
sísmicos, las vibraciones producidas por la maquinaria,
mobiliario, materiales y mercancías almacenadas y por
máquinas y ocupantes, así como las
fuerzas motivadas por cambios de temperatura.
Estas cargas son temporales y pueden provocar vibraciones,
sobrecarga y fatiga de los materiales. En general, los edificios
deben estar diseñados para soportar toda posible carga
viva o muerta y evitar su hundimiento o derrumbe, además
de prevenir cualquier distorsión permanente, exceso de
movilidad o roturas.
Principales elementos de un edificio
Los principales elementos de un edificio son los siguientes: 1)
los cimientos, que soportan y dan estabilidad al edificio; 2) la
estructura, que resiste las cargas y las trasmite a los
cimientos; 3) los muros exteriores que pueden o no ser parte de
la estructura principal de soporte; 4) las separaciones
interiores, que también pueden o no pertenecer a la
estructura básica; 5) los sistemas de
control ambiental, como iluminación, sistemas de
reducción acústica, calefacción,
ventilación y aire
acondicionado; 6) los sistemas de transporte
vertical, como ascensores o elevadores, escaleras
mecánicas y escaleras convencionales; 7) los sistemas de
comunicación como pueden ser intercomunicadores,
megafonía y televisión
por circuito cerrado, o los más usados sistemas de
televisión por cable, y 8) los sistemas de suministro de
electricidad,
agua y eliminación de residuos.
A. Cimientos
El diseño de la estructura de un edificio depende en gran
medida de la naturaleza del
suelo y las
condiciones geológicas del subsuelo, así como de
las transformaciones realizadas por el hombre en
esos dos factores.
1. Condiciones del suelo
Si se pretende construir un edificio en una zona con
tradición sísmica, se deberá investigar el
tipo de suelo a una profundidad considerable. Es evidente que
deberán evitarse las fallas en la corteza terrestre bajo
la superficie. Ciertos suelos pueden
llegar a licuarse al sufrir terremotos y transformarse en arenas
movedizas. En estos casos debe evitarse construir o en todo caso
los cimientos deben tener una profundidad suficiente para
alcanzar zonas de materiales sólidos bajo el suelo
inestable. Se han encontrado suelos arcillosos que se llegan a
expandir hasta 23 cm o más al someterlos a largos
periodos de humedecimiento o secado, con lo que se producen
potentes fuerzas que pueden cizallar o fragmentar los cimientos y
elevar edificios poco pesados. Los suelos con alto contenido
orgánico llegan a comprimirse con el paso del tiempo bajo
el peso del edificio, disminuyendo su volumen inicial y
provocando el hundimiento de la estructura. Otros tienden a
deslizarse bajo el peso de las construcciones.
Los terrenos modificados de alguna forma suelen tener un
comportamiento diferente, en especial cuando se ha añadido
o se ha mezclado otro tipo de suelo con el original, así
como en aquellos casos en que el suelo se ha humedecido o secado
más de lo normal, o cuando se les ha añadido
cemento u
otros productos
químicos como la cal. A veces el tipo de suelo sobre el
que se proyecta construir varía tanto a lo largo de toda
la superficie prevista que no resulta viable desde el punto de
vista económico o no es posible edificar con seguridad.
Por tanto, los análisis geológicos y del suelo son
necesarios para saber si una edificación proyectada se
puede mantener adecuadamente y para hallar los métodos
más eficaces y económicos.
Si hay una capa rocosa firme a corta distancia bajo la superficie
de la obra, la resistencia de la roca permitirá que la
extensión sobre la que descanse el peso de la
construcción no tenga que ser demasiado grande. A medida
que se van encontrando rocas y suelos
más débiles, la extensión sobre la que se
distribuirá el peso deberá ser mayor.
2. Tipos de cimientos
Los tipos de sistemas de cimentación más comunes se
clasifican en profundos y superficiales. Los sistemas
superficiales se encuentran a poca distancia bajo la base del
edificio, como las losas continuas y las zapatas. Los cimientos
profundos se extienden a varios metros bajo el edificio, como los
pilotes y los pozos de cimentación (figura 1). La
elección de los cimientos para un edificio determinado
dependerá de la fortaleza de la roca y el suelo, la
magnitud de las cargas estructurales y la profundidad del nivel
de las aguas subterráneas.
Los cimientos más económicos son las zapatas de
hormigón armado, empleados para edificios en zonas cuya
superficie no presenta dificultades especiales. Estos cimientos
consisten en planchas de hormigón situadas bajo cada pilar
de la estructura y una plancha continua (zapata continua) bajo
los muros de carga
Los cimientos de losa continua se suelen emplear en casos en los
que las cargas del edificio son tan grandes y el suelo tan poco
resistente que las zapatas por sí solas cubrirían
más de la mitad de la zona de construcción.
Consisten en una losa de hormigón armado, que soporta el
peso procedente de los soportes. La carga que descansa sobre cada
zona de la losa no es excesiva y se distribuye por toda la
superficie. En las cimentaciones bajo edificios de gran
envergadura, las cargas se pueden repartir por medio de
nervaduras o muros cruzados, que rigidizan la losa.
Los pilotes se emplean sobre todo en zonas en las que las
condiciones del suelo próximo a la superficie no son
buenas. Están fabricados con madera, hormigón o
acero y se colocan agrupados en pilares. Los pilotes se
introducen a determinada profundidad dentro de la roca o suelo y
cada pilar se cubre con una capa de hormigón armado. Un
pilote puede soportar su carga tanto en su base como en cualquier
parte de su estructura por el rozamiento superficial. La cantidad
de pilotes que debe incluirse en cada pilar dependerá de
la carga de la estructura y la capacidad de soporte de cada
pilote de la columna. Los pilotes de madera o vigas son troncos
de árboles, con lo que su longitud resulta
limitada. En cambio, un
pilote de hormigón puede tener una altura aceptable y se
puede introducir por debajo del nivel freático. En
edificios muy pesados o muy altos se emplean pilotes de acero,
llamados por su forma pilotes en H, que se introducen en la roca,
a menudo hasta 30 m de profundidad. Con estos pilotes se
alcanza más fácilmente una mayor profundidad que
con los pilotes de hormigón o madera. Aunque los pilotes
de acero son mucho más caros, su coste está
justificado en los grandes edificios, que suelen representar una
importante inversión financiera.
Los cimientos de zapatas rígidas se emplean cuando hay un
suelo adecuado para soportar grandes cargas, bajo capas
superficiales de materiales débiles como turba o tierra de
relleno. Un cimiento de zapatas rígidas consiste en unos
pilares de hormigón construidos en forma de cilindros que
se excavan en los lugares sobre los que se asentarán las
vigas de la estructura. Estos cimientos soportan las cargas del
edificio en su extremo inferior, que suele tener forma de
campana.
3. Nivel freático
La construcción de los cimientos puede complicarse debido
a la existencia de agua subterránea por encima del nivel
previsto para los cimientos. En estos casos, los laterales de la
excavación pueden no estar seguros y
derrumbarse. La operación de bajar el nivel del agua por
bombeo requiere la instalación previa de planchas
entrelazadas en los lados de la excavación para evitar
derrumbamientos. Cuando la cantidad de agua en una
excavación es excesiva, los métodos de bombeo
ordinarios, que extraen a la superficie tierra suelta mezclada
con agua, pueden minar los cimientos de edificios vecinos. Para
evitar los daños que puede causar el drenaje al remover el
suelo, se emplean sistemas de puntos de drenaje y desagüe.
Los puntos de drenaje consisten en pequeñas picas o
tuberías con un filtro en uno de sus extremos, y se
introducen en el suelo de modo que el filtro, que impide que
la tierra
entre junto con el agua, quede bajo el nivel del agua. Esta
pequeña tubería está conectada a una
tubería múltiple que se comunica por un tubo
flexible a una bomba de agua. Así se extrae el agua bajo
la excavación sin peligro para los edificios
próximos. El sistema de desagüe puede incluso ahorrar
la instalación de planchas en los lados de la
excavación, siempre que no se prevea que el suelo pueda
deslizarse sobre la obra debido a su composición o a las
vibraciones de maquinaria o tráfico pesado en las
cercanías.
B. Estructura
Los elementos básicos de una estructura ordinaria son
suelos y cubierta (incluidos los elementos de apoyo horizontal),
pilares y muros (soportes verticales) y el arriostramiento
(elementos diagonales) o conexiones rígidas para dar
estabilidad a la estructura.
1. Edificios de una o dos plantas
En el caso de edificios bajos es posible una mayor variedad de
formas y estilos que en los edificios grandes. Además del
sistema de pórticos —también utilizado en
grandes edificios—, las pequeñas edificaciones
pueden tener cubiertas a dos aguas, bóvedas y
cúpulas. Una estructura de un solo piso puede consistir en
una solera de hormigón directamente sobre el suelo, muros
exteriores de albañilería soportados por una losa
(o por zapatas continuas, alrededor del perímetro del
edificio) y una cubierta. En edificios bajos, el uso de pilares
interiores entre los muros de carga es un método muy
común. También pueden emplearse pilares espaciados,
apoyados en losas o zapatas, pero en este caso los muros
exteriores se soportan por los pilares o están colocados
entre éstos. Si la luz de cubierta del tejado es corta, se
utilizan entarimados de apoyo, hechos de madera, acero u
hormigón para formar la estructura del techo.
Cada material de la estructura tiene su propia relación
peso-resistencia, costo y
durabilidad. Como regla general, cuanto mayor sea la luz de
cubierta o techo, más complicada será la estructura
que lo soporte y habrá menos posibilidades para escoger
los materiales apropiados. Dependiendo de la longitud de la luz,
la cubierta podrá tener una estructura de vigas
unidireccionales (figura 2a) o una estructura de vigas
bidireccionales, apoyadas en vigas maestras de mayor
tamaño que abarquen toda la extensión de la luz
(figura 2b). Los apuntaladores son sustituibles por
cualquiera de esos métodos y pueden tener una profundidad
de menos de 30 cm o más de 9 m, y se forman
entrelazando los elementos de tensión y compresión
en forma de triángulos. Suelen ser de madera o acero,
aunque también se pueden hacer de hormigón armado.
La estructura de un edificio de una sola planta también
puede consistir en un armazón de techo y muros en
combinación, afirmados entre ellos o hechos de una sola
pieza. Las formas posibles de la estructura son casi infinitas,
incluida la variedad de tres lados de un rectángulo
afirmados en un conjunto llamado armadura (figura 2c), la de
forma de iglesia de
lados verticales y techo inclinado (figura 2d), la de
parábola (figura 2e) y la de semicírculo o
cúpula.
La estructura básica y los muros exteriores, suelos y
techo pueden estar hechos como un todo unido, muy parecido a una
tubería rectangular con los extremos abiertos o cerrados.
Estas formas pueden moldearse en plástico.
2. Edificios de varias plantas
La forma más frecuente de construcción de
edificaciones es el entramado reticular metálico. Se trata
en esencia de los elementos verticales que aparecen en las
figuras 3a, 3b y 3c, combinados con una estructura
horizontal. En los edificios altos ya no se emplean muros de
carga con elementos horizontales de la estructura, sino que se
utilizan generalmente muros-cortina, es decir, fachadas ligeras
no portantes.La estructura metálica más
común consiste en múltiples elementos de
construcción, como se recoge en la figura 3c. Para
estructuras de más de 40 plantas se
emplean diversas formas de hormigón armado, acero o mezcla
de estos dos. Los elementos básicos de la estructura
metálica son los pilares verticales o pies derechos, las vigas
horizontales que abarcan la luz en su mayor distancia entre los
pilares y las viguetas que cubren la luz de distancias más
cortas. La estructura se refuerza para evitar distorsiones y
posibles derrumbes debidos a pesos desiguales o fuerzas
vibratorias. La estabilidad lateral se consigue conectando entre
sí los pilares, vigas y viguetas maestras, por el soporte
que proporcionan a la estructura los suelos y los muros
interiores, y por las conexiones rígidas en diagonal entre
pilares y entre vigas (figura 3a). El hormigón armado
puede emplearse de un modo similar, pero en este caso se deben
utilizar muros de hormigón en lugar de riostras, para dar
una mayor estabilidad lateral.
Entre las nuevas técnicas de construcción de
edificios de cierta altura se encuentran la inserción de
paneles prefabricados dentro del entramado metálico, las
estructuras suspendidas o colgantes y las estructuras
estáticas compuestas.
En la técnica de inserción se construye una
estructura metálica con un núcleo central que
incluye escaleras de incendios,
ascensores, fontanería, tuberías y cableado
eléctrico. En los huecos entre las estructuras
horizontales y verticales se insertan paneles prefabricados en
forma de cajón. Éstos permitirán efectuar
transformaciones posteriores en el edificio.
En la técnica colgante (figura 3b), se construye un
núcleo central vertical, y en su parte superior se fija
una fuerte estructura horizontal de cubierta. Todos los pisos a
excepción de la planta baja quedan sujetos al
núcleo y a los elementos de tensión que cuelgan de
la estructura de la cubierta. Una vez terminado el núcleo
central, las plantas se van construyendo de arriba a abajo.
En la técnica de apilamiento o estructura estática
compuesta (figura 3c) se colocan paneles prefabricados en
forma de cajón con la ayuda de grúas especiales,
unos sobre otros, y posteriormente se fijan entre ellos.
En edificios de más de 40 plantas el acero se considera el
material más adecuado. Sin embargo, los últimos
avances en el desarrollo de nuevos tipos de hormigón
compiten con el acero. Los edificios de gran altura a menudo
requieren soluciones
estructurales más elaboradas para resistir la fuerza del
viento y, en ciertos países, la fuerza de terremotos. Uno
de los sistemas de estructura más habituales es el tubo
exterior estructural, empleado en la construcción del
World Trade Center (411 m) en Nueva York. En él, con
pilares separados y conectados firmemente a vigas de carrera
horizontales sobre el perímetro del edificio, se consigue
la fuerza suficiente para soportar las cargas y la rigidez
necesaria para reducir las desviaciones laterales. En este caso,
para el tubo estructural se empleó una mezcla de
hormigón y materiales de construcción compuestos,
hechos de elementos estructurales de acero encofrados con
hormigón armado.
En los edificios de gran altura se suele utilizar una
combinación de acero y hormigón armado. La elevada
relación resistencia-peso del acero es excelente para los
elementos de luz horizontal. Los hormigones de alta dureza pueden
aportar de un modo económico la resistencia a la fuerza de
compresión necesaria en los elementos verticales.
Además, las propiedades de la masa interna y la humedad
del hormigón ayudan a reducir los efectos de las
vibraciones, uno de los problemas más usuales en los
edificios de gran altura.
C. Muros exteriores (fachadas) y cubiertas
Los muros de cortina o fachadas ligeras son el tipo más
frecuente de muros no portantes, y se pueden montar a pie de obra
o en origen. Son elementos cuya superficie o piel exterior
se ha tratado con material de aislamiento, barreras de vapor o
aislamientos acústicos, y una superficie interior que
puede formar parte de los muros de cortina o unirse a ellos. La
capa exterior puede estar hecha de metales (acero
inoxidable, aluminio, bronce), albañilería
(hormigón, ladrillo, baldosa) o vidrio. Para las
fachadas también se utiliza piedra caliza, mármol,
granito y paneles de hormigón prefabricados.
El método tradicional de construcción de las
cubiertas es colocar rollos de tela asfáltica laminada
cubiertos de grava, sobre los elementos de hormigón o
acero de la estructura. También se utilizan materiales
sintéticos en lugar de rollos de tela asfáltica.
Hay algunos en forma de hierba y alfombras hechas de
plástico que se pueden instalar en zonas recreativas del
tejado a bajo coste.
D. Separaciones interiores
Los métodos tradicionales de división interna de
los edificios han consistido en muros de
albañilería de 10 a 15 cm de espesor de
hormigón, yeso o piedra pómez, pintados o
encalados; también se han utilizado estructuras de madera
o metal cubiertas con listones de madera enyesados. El uso de
cartón yeso y madera laminada está muy
extendido.
Para conseguir mayor flexibilidad dentro de los edificios se
emplean sistemas intercambiables y desmontables cuya única
restricción es el espacio que queda entre los pilares.
Estas separaciones pueden estar hechas de materiales
metálicos, paneles prefabricados de cartón yeso,
sistemas de cortinas plegables a modo de acordeón, o en
caso de problemas de ruidos, cortinas plegables en sentido
horizontal o vertical. Los materiales ligeros suelen tener el
inconveniente de no aislar los ruidos y no proteger adecuadamente
la intimidad. No obstante las nuevas tendencias incluyen la
instalación de separaciones ligeras pero utilizando cada
vez más materiales que reduzcan y limiten el ruido. En
muchos edificios los únicos muros de
albañilería son los muros contra incendios, entre
los que se incluyen los huecos de ascensores, escaleras y
pasillos principales.
E. Control
ambiental
En muchos países se han desarrollado importantes avances
en sistemas de control de calefacción, refrigeración, ventilación,
iluminación y de sonidos. En la mayoría de los
grandes edificios se ha estandarizado el aire acondicionado para
todo el año. Algunas zonas de los edificios se refrigeran
incluso en invierno, dependiendo de la distancia entre los muros
exteriores y del calor que
pueden generar la iluminación, los equipos
eléctricos o la actividad humana dentro del edificio. Al
mejorar el nivel y la calidad de la
iluminación, el coste de los sistemas mecánicos y
eléctricos en los edificios grandes ha crecido en mayor
medida que en las casas familiares. Estos costes pueden llegar a
suponer un tercio o un cuarto del coste total de la
construcción.
F. Sistemas eléctricos y de comunicación
La extensión del uso de electricidad, teléfono, equipos de transmisión por
fax, circuitos
cerrados de televisión, intercomunicaciones, alarmas y
sistemas de seguridad, ha supuesto un aumento en la cantidad de
cableado que se instala en los edificios. Los cables principales
se tienden verticalmente en conductos abiertos que se ramifican
por cada planta a través de los techos de las mismas o
debajo de las baldosas.
La electricidad que necesitan los edificios ha aumentado a causa
de los numerosos y complejos equipos que se instalan. Para evitar
las consecuencias de fallos en el suministro se suelen instalar
equipos generadores de emergencia en muchos edificios, que en
algunos casos, como en zonas alejadas, disponen de sus propios
sistemas para generar energía. Cuando se utilizan
generadores diesel o de turbina de gas, el calor que
producen las máquinas puede aprovecharse para otros usos
del edificio.
G. Transporte vertical
Los ascensores por cable, de control automático y alta
velocidad, son
el tipo de transporte vertical más utilizado en
edificaciones de altura. Los edificios bajos y las plantas
inferiores de los edificios comerciales suelen tener Escaleras
mecánicas. En caso de incendio debería contarse al
menos con dos vías de salida de la zona principal del
edificio. Por ello, además de los ascensores y las
escaleras mecánicas, todos los edificios, incluso los
más altos, deben disponer de dos escaleras protegidas a lo
largo de todo el edificio.
H. Suministro de agua y eliminación de residuos
Los edificios deben contar con un sistema de tuberías de
suministro de agua para beber, lavado, cocinado, instalaciones
sanitarias, sistemas internos de extinción de incendios
(ya sea con tuberías y mangueras fijas o por aspersores
automáticos), sistemas de aire acondicionado y calderas.
La eliminación de los desperdicios secos y húmedos
en los edificios se lleva a cabo por medio de una gran variedad
de sistemas. Un método muy usual es verter los
desperdicios líquidos a tuberías conectadas a la
red de
alcantarillado.
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