Estructuras especiales..

ESTRUCTURAS ESPECIALES
Ing. Hugo Anselmo Ccama Condori
MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL
MENCION DISEÑO Y CONSTRUCCIONES

ESTRUCTURAS ESPECIALES
• Estructuras Especiales”, fueron denominadas en el articulo (Sociedad
Norteamericana de Ingenieros Civiles), a “las representaciones
tridimensionales de nuestras ecuaciones de equilibrio y,
confirmaciones de nuestras técnicas analíticas, normativas de diseño
y practicas constructivas” Bradshaw et al.(2002).
ESTRUCTURAS LAMINARES
ESTRUCTURAS CON CABLES ( PUENTES COLGANTES Y ATIRANTADOS)
ESTRUCTURAS METALICAS
Y OTROS

TIPOS DE ESTRUCTURAS LAMINARES
• Simple curvatura o desarrollables: cuando la curvatura en un punto
dado es del mismo signo en todas las direcciones, excepto en una de
ellas (recta generatriz) en que vale 0. Ejemplos: cilindros y conos
• Doble curvatura:
• Sinclásticas: cuando la curvatura en un punto dado es del mismo
signo en todas las direcciones. Ejemplos: cúpula (esfera), paraboloide
elíptico, elipsoide, hiperboloide de dos hojas
• Anticlásticas: cuando la curvatura en un punto es positiva en algunas
direcciones y negativa en otras. Ejemplos: paraboloide hiperbólico,
conoide, hiperboloide de una hoja.

• TEMPLO DE LOTO - INDIA
Constituye una gran flor de loto de cemento blanco y
mármol. Se terminó en 1986. Tiene nueve lados y siete
estanques simbolizando el todo, la unicidad y la unidad.
La loto es el símbolo tradicional hindú de pureza y
santidad.
Es sinclastica o anticlastica?

• OPERA DE SIDNEY -
AUSTRALIA
Situada en la ciudad de
Sídney, estado de Nueva
Gales del Sur, Australia,
es uno de los edificios
más famosos y
distintivos del siglo XX.

Bóvedas cilíndricas
• Las bóvedas cilíndricas se caracterizan por la forma de su sección
transversal, por el tipo de apoyo en la dirección longitudinal y
transversal, por la clase de diafragmas y vigas de borde y por la
continuidad a lo largo de varios vanos
• La luz habitual varía entre 24 y 48 m con un ancho de 9 a 13,5 m y
una relación luz/altura entre 1/10 y 1/15. El espesor gira en torno a
los 8 cm pudiendo aumentar cerca de las vigas de borde.
• El comportamiento de una bóveda cilíndrica es diferente según la
dirección considerada: longitudinal (efecto viga) y transversal (efecto
arco).

CUPULAS
• Las cúpulas son superficies de revolución definidas por la rotación de una
curva plana alrededor de un eje vertical.
• Permiten cubrir grandes luces y encerrar la mayor cantidad de espacio con
la mínima superficie, por lo que resultan muy aptas para cubrir campos de
deporte, piscinas, palacios de congresos, salas de exposiciones, etc., dónde
se necesita que los espacios interiores sean diáfanos.
• El espesor habitual de las cúpulas de hormigón armado varía de 7,5 cm a
11,5 cm para luces de 30 a 60m, con un aumento de espesor de un 50 a un
75% en la periferia. Si las luces son mayores se aumentará su espesor, se
rigidizará con nervios o bien se formará una doble capa para evitar el
pandeo a compresión.

Paraboloide hiperbolico
• El paraboloide hiperbólico se inscribe bien en un cuadrilátero
formado por cuatro bordes rectos. Se trata de una superficie
anticlástica de gran rigidez estructural, que transfiere cargas normales
a su superficie mediante tensiones tangenciales a ella misma
(compresiones en la curvatura convexa, acción de arco y tracciones en
la curvatura cóncava, acción de tirante), trabajando en estados de
membrana, sin provocar flexiones en el borde.

CABLES
Por su simplicidad, versatilidad, resistencia y economía,
los cables se han convertido en un elemento
imprescindible en muchas obras de ingeniería.

COMPORTAMIENTO DE LOS CABLES
• Por su flexibilidad los cables solo aguantan fuerzas de tracción, se
comportan de forma inversa a los arcos.
• El tipo de geometría que adquiere un cable depende del tipo de
cargas actuantes.
• El Cable es un elemento estructural tipo; no posee rigidez para
soportar esfuerzos de flexión, compresión o cortantes.
• Al someter a cargas a un cable este cambia su geometría

Donde se observa , el cable tiene una flecha f , y un largo l ; conociendo
dos casos de comportamientos de los cables:

SISTEMA ESTRUCTURAL DE UN PUENTE COLGANTE
• Vigas rigidizantes.- estructuras longitudinales las cuales distribuyen y
soportan las cargas móviles vehiculares, transmite estos esfuerzos a
las péndolas para el sistema lateral y la seguridad de la estabilidad
aerodinámica de la estructura
• Cables Principales.- Un grupo Paralelo de cables el cual soporta las
vigas rigidizantes por los pendolones y transfieren la carga a la torre.
• Torres Principales.- Estructura intermedia principal el cual soporta los
cables principales y transfiere cargas del puente a las fundaciones.
• Anclajes.- Son bloques macizos de concreto en el que se anclan los
cables principales y funciona como soporte final de la estructura.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
• Selección de la configuración inicial.- La longitud del vano, flecha son
determinados, la relación flecha / vano es 1/10 para el vano principal
y 1/30 para los vanos laterales, la carga muerta y rigidez son
asumidos.
• Modelo de Análisis Estructural.- En el caso de análisis en el plano, las
fuerzas actuales y deformaciones sobre los miembros bajo cargo viva
se obtienen con la teoría de las deformaciones finitas de modelo
bidimensional.
• Análisis de respuesta dinámica.- La respuesta de terremoto son
calculados usando la respuesta espectral

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
• Diseño de miembros.- Los cables y vigas son diseñados usando las
fuerzas obtenidas del análisis previo.
• Análisis de las torres.- Las torres son analizadas usando cargas y
deflexiones, los
• Verificación de los valores asumidos y estabilidad aerodinámica.

• Los cables atirantados proporcionan apoyos intermedios para las
vigas, esto hace que se tengan vanos largos. La forma estructural
básica de un puente atirantado es una serie de triángulos
sobrepuestos que comprimen la pila o torre, tensionando los cables y
comprimiendo las vigas. Como se puede apreciar en estos miembros
predomina la fuerza axial. Los miembros cargados axialmente son
más eficientes que los miembros sometidos a flexión. Este hecho
contribuye a la economía del puente atirantado.

DISEÑO
• Carga permanente.- un puente atirantado es una estructura hiperestatica.
En su diseño es muy importante la condición de cargas permanentes, se
deben tomar en cuenta los estados de carga de la etapa constructiva.
• b) Carga viva. Las tensiones deben ser evaluadas a partir de las líneas de
influencia, sin embargo la tensión sobre un punto cualquiera de un puente
atirantado es usualmente una combinación de varios componentes de
fuerza, la tensión f de un punto inferior del anclaje del tablero esta
expresado como
• Efectos térmicos. Deben tomarse en cuenta la diferencia de temperatura
entre los cables y el resto de los elementos del puente
• Cargas dinámicas. Las cargas dinámicas mas importantes son las sísmicas y
aerodinámicas que dependen mucho de los tipos de apoyo.

CRITERIOS DE DISEÑO DE PUENTES
La planificación y diseño de puentes es arte y compromiso con la
Ingeniería Estructural, en este tema el diseñador debe manifestar su
capacidad creativa, demostrar su imaginación, innovación y
exploración. Los análisis técnicos y económicos son indisputables, pero
estos no deben cubrir el proceso total de diseño.
El diseño de puentes es un problema complejo de Ingeniería. Este
proceso incluye consideraciones de otros factores importantes, tales
como escoger el sistema de puente, materiales, fundaciones, estética,
el alcance logrado en un determinado país o lugar y los efectos medio
ambientales producidos por su construcción. Lo que se optimiza es la
máxima seguridad con el mínimo costo que sea compatible con los
principios de la Ingeniería Estructural.

PUENTE RETICULADA DE ESTRUCTURA
METALICA

ANALISIS ESTRUCTURAL DE PUENTE VIGA
RETICULADO

CRITERIO DE ANALISIS
Para el diseño y construcción de estructuras de acero en
construcciones, se debe basarse en las Especificaciones del
American Institute of Steel Construction (AISC)
El diseño de un miembro estructural o conexión, se efectuará
con la combinación de carga crítica.

Factores de carga y combinaciones de carga
Bases: ASCE-7 (formalmente ANSI A58.1)

DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS
ejemplo de calculo

VENTAJAS
7. Diseño con perfiles de acero
1. Acceso a una gran variedad de perfiles laminados o
soldados en el medio
2. Alta capacidad de material para soportar cargas
3. Ductilidad intrínseca del acero
4. Rapidez constructiva

VENTAJAS
5. Grandes espacios libres entre columnas
6. Estructuras más ligeras comparadas con las estructuras
de concreto.
7. Facilidad en la remodelación o ampliación

1. Utilizar distancia entre elementos verticales estándar de acuerdo
a la práctica del país.
2. Aprovechar los espacios arquitectónicos para los sistemas
resistentes a fuerzas laterales
– Muros resistentes a los esfuerzos cortantes.
– Elementos en X ó Λ.
– Pórticos rígidos que ofrecen espacios abiertos.
3. Evitar el uso de secciones que no son de fabricación común.
RECOMENDACIONES

4. Diseñar los elementos horizontales para acción compuesta
haciendo uso del concreto para soportar las cargas
sobrepuestas.
5. Repetir, repetir, repetir haciendo uso de elementos idénticos
Beneficios
– Reduce el costo de fabricación
– Reduce el número de errores inherentes por mano de obra
RECOMENDACIONES

6. Disminuir la complejidad del control de construcción:
– Reducir la soldadura en obra
– Aumentar el uso de conexiones atornilladas.
– No hay necesidad de andamios ni cimbras
RECOMENDACIONES

8. Estructuración
• Lograr un nivel de seguridad adecuado contra fallas
estructurales causadas por sismos fuertes y
• Lograr un comportamiento estructural aceptable en
condiciones normales de operación durante su vida útil.
OBJETIVOS

8. Estructuración
• Evitar pérdidas de vidas humanas y lesiones a seres humanos
durante la ocurrencia de un sismo fuerte.
– Impedir, durante un sismo fuerte, daños severos en la estructura y en los
elementos no estructurales (muros divisorios, pretiles, escaleras,
plafones, etc.)
– Lograr que después de un sismo fuerte, sigan funcionando las
edificaciones estratégicas (hospitales, estaciones de bomberos, refugios,
albergues, oficinas de gobierno, etc.) para atender el evento.
RESPONSABILIDAD

La estructura de acero suele ser competitiva cuando se usa para
salvar grandes claros.
8.1. Columnas RECOMENDACIONES

8.1. Columnas
• Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados
preferentemente robustos (similar altura y ancho de ala,
espesores de alma y ala comparables).
• Para elementos principalmente en compresión, evaluar
uso de secciones compuestas.
RECOMENDACIONES

8.2. Vigas o trabes
• Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados, con
mayor área en las alas.
• Evitar siempre que sea posible empalmes entre vigas
principales.
• Usar el mismo tipo de acero que en las columnas.
• Revisar deflexiones y vibraciones.
RECOMENDACIONES

8.2. Vigas o trabes
• Proporcionar menor resistencia que la columna a la que
se une (columna fuerte-viga débil).
RECOMENDACIONES
Mecanismo con daño en vigas
(recomendado)

Colocar atiesadores cerca de las uniones o en puntos
de aplicación de cargas concentradas
8.2. Vigas o trabes RECOMENDACIONES

Cortesía:VAMISA
Colocar atiesadores en ambos lados del alma de la viga
8.2. Vigas o trabes RECOMENDACIONES

Cortesía:VAMISA
8.3. Vigas secundarias RECOMENDACIONES
Viga secundaria
Viga principal

8.3. Vigas secundarias
• Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados,
secciones armadas en canal, vigas armadas a base de
ángulos de lados iguales.
• Utilizar diseño compuesto. El patín superior siempre está
sometido a compresión.
• Revisar deflexiones y vibraciones.
• Cuidar los empalmes entre vigas.
RECOMENDACIONES

Vigas de alma perforada (prefabricadas comercialmente).

Vigas de alma abierta tipo joist (armaduras prefabricadas)
Cortesía:VAMISA

Repetir piezas idénticas para
facilitar la fabricación

Sistema de piso compuesto a base de vigas en flexión
8.4. Sistemas de piso RECOMENDACIONES

8.5. Conexiones
• Uno de los aspectos más importantes en el diseño de un
edificio de acero es el criterio adoptado en la solución de
las uniones entre los diversos miembros estructurales.
• Tipos:
– Simple
– Rígida
– Semi-rígida
INTRODUCCION

8.5. Conexiones
• EVITAR LA FALLA DE LA CONEXION.
• Diseñar considerando modos de falla y eligiendo cual
será el modo de falla dominante.
• Usar detalles de conexión sencillos.
• Evitar soldadura en obra.
RECOMENDACIONES

Conexiones típicas a columna W
8.5. Conexiones DETALLES
TIPICOS

Conexiones continuas viga-columna
Atiesadores externos al tubo
TIPICOS

Atiesadores continuos
TIPICOS

8.5. Conexiones
Atiesadores continuos
DETALLES
TIPICOS

8.5. Conexiones
Atiesadores continuos, muñón acartelado
DETALLES
TIPICOS

8.6.Detalles estructurales
• Especificar soldaduras de filete en lugar de penetración
completa cuando sea posible.
RECOMENDACIONES
SOLDADURA

Sección de cuatro placas
con soldadura de penetración.
Evitar
8.6.Detalles estructurales RECOMENDACIONES
SOLDADURA
Alternativa 1
Alternativa 2
Sección de cuatro placas
con soldadura de filete.

Forma eficiente de soldar el atiesador interior en
sección de cuatro placas.
Paso 1: soldar con filete en las primeras tres caras
Paso 2: soldar la cuarta cara con soldadura de tapón o de ranura
RECOMENDACIONES
SOLDADURA

• Indicar soldaduras de filete que pueden realizarse en una
sola pasada con máquinas de soldadura automática
cuando sea posible.
• No indicar más soldadura que la realmente necesaria.
Así se evita sobrecalentamiento y deformación de
perfiles.
RECOMENDACIONES
SOLDADURA

Sección constante de tres placas de alma delgada
Soldadura de filete por un solo lado
RECOMENDACIONES
SOLDADURA

Soldadura de filete por un solo lado
Sección variable de tres placas de alma delgada
RECOMENDACIONES
SOLDADURA

Sección de tres placas de alma gruesa
Soldadura de filete por los dos lados
RECOMENDACIONES
SOLDADURA

• Seleccionar apropiadamente la orientación de las vigas
secundarias (paralelas al lado largo)
• Mantener la relación entre lado corto a y lado largo b, tal
que 1.25 < b/a < 1.50.
• Utilizar conexiones atornilladas para la unión de vigas
secundarias a la viga principal.
RECOMENDACIONES
VIGAS SECUNDARIAS

Alternativa 1: tornillos a doble cortante
RECOMENDACIONES
VIGAS SECUNDARIAS

Alternativa 2: tornillos a cortante simple
RECOMENDACIONES
VIGAS SECUNDARIAS

Conexión sesgada a cortante
RECOMENDACIONES
VIGAS SECUNDARIAS

CONEXIÓN MOMENTO
Placas de muñón soldadas a columna con soldadura de filete
Conexión a momento tipo end-plate

Unión de patines del perfil al end-plate
Con soldadura de filete para
patines de poco espesor
Con soldadura de penetración
para patines de gran espesor

• Buscar el menor número de empalmes de columnas posible.
• Considerar la posibilidad de utilizar una sección más rígida para
evitar la colocación de atiesadores
• Especificar refuerzo en almas de vigas en zona de huecos para
instalaciones sólo donde realmente se requiera.
• Tratar de utilizar perfiles HSS para contraventeo de marcos.
RECOMENDACIONES
MIEMBROS

Detalle de conexión de contraventeo con perfil HSS
Conexión en zona de nudo viga-columna
Conexión con placa (tipo peine)

Detalle de conexión de contraventeo con perfil HSS
Conexión con trabe al centro del claro

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