Las formas estructurales, también llamadas sistemas estructurales, son mecanismos que garantizan la estabilidad estructural de un edificio. Dependiendo del tipo de estructura se podrán utilizar uno o más sistemas estructurales para un mismo edificio alto. La idoneidad del sistema para soportar cargas laterales la decide un ingeniero civil con experiencia en análisis estructural y diseño de edificios altos.
¿Qué es un edificio alto?
No existe una línea divisoria específicamente mencionada entre edificios de gran altura y edificios de poca altura. Sin embargo, según los métodos estándar en todo el mundo, los edificios de más de 20 pisos pueden considerarse edificios altos.
Los edificios altos deben diseñarse para soportar la gravedad y las cargas laterales provocadas por el viento, terremotos, etc.
Por tanto, es necesario un buen sistema de soporte de carga lateral para mantener la estabilidad lateral del edificio. En función de la altura y otras distribuciones del edificio, se selecciona el sistema estructural más adecuado.
Los requisitos se tienen en cuenta a la hora de planificar edificios altos.
Deflexión lateral de un edificio alto.
En general, la deflexión lateral de los edificios altos se limita a (altura/500). Si se excede este límite, puede haber restricciones en el uso de instalaciones de servicio, como los ascensores.
Además, una deflexión excesiva puede provocar grietas en componentes no estructurales como paredes de ladrillo, revestimientos, cortinas de vidrio, etc. Debido a la pérdida de rigidez, las cargas se pueden distribuir.
Además, una desviación excesiva puede resultar incómoda para el ocupante.
Índice de desviación
Los ocupantes realmente sintieron la desviación relativa entre pisos. El índice de deriva es el indicador que muestra si estamos o no dentro de los límites.
Además, el índice de deriva se considera un indicador de la rigidez lateral del edificio.
El desplazamiento lateral de un edificio se limita normalmente a ( 1/500 ).
La desviación se puede calcular como desviación total o como desviación entre pisos.
Deriva total = La deflexión lateral máxima del edificio = Δ 1
Índice de deriva total = Δ1 / altura del edificio
Desplazamiento entre pisos = diferencia en la deflexión lateral de dos losas (ej. piso 21 y piso 22) = Δ 2
Índice de deriva = Δ2 / altura de piso a piso
Además, limitar las vibraciones del suelo y las aceleraciones de los edificios es fundamental para mantener el bienestar humano. El edificio debe ser lo suficientemente rígido como para limitar su aceleración máxima a un nivel mínimo que los humanos puedan sentir.
Formas estructurales para edificios altos.
Los edificios altos se están volviendo cada vez más populares entre el desarrollo en todo el mundo, y también está de moda construir edificios altos.
Debido a la superficie limitada de terreno en zonas densamente pobladas, es más práctico construir un edificio alto para albergar todos los servicios. Los edificios de gran altura se construyen como edificios mixtos, edificios residenciales, edificios de oficinas, etc.
Como se explicó anteriormente, existen factores importantes a considerar al diseñar edificios altos. Además, dependiendo del tipo de estructura, el ingeniero civil debe seleccionar los sistemas estructurales adecuados para proceder con el proyecto.
Además, las formas estructurales que se analizan a continuación pueden denominarse sistemas de carga laterales.
En este artículo analizamos 14 formas estructurales diferentes.
- Construcciones de marco reforzado
- Construcciones de marco rígido
- Construcciones de marco relleno
- Estructuras de muros de corte
- Estructuras de muros de corte acopladas
- Estructuras de marco de pared
- Estructuras tubulares enmarcadas
- Estructuras de tubo dentro de tubo o núcleo de carcasa
- Estructuras de tubos agrupados
- Estructuras de tubos reforzados
- Estructuras soportadas en voladizo
- Estructuras suspendidas
- estructuras espaciales
- Estructuras híbridas
Construcciones de marco reforzado
Las estructuras reforzadas se construyen principalmente en edificios de acero. Los edificios de acero tienen una estabilidad lateral comparativamente débil en comparación con los edificios de hormigón de la misma escala.
Se deforman bajo cargas laterales de viento, terremotos, etc. sin ofrecer mucha resistencia porque carecen de rigidez lateral. Por lo tanto, los marcos se refuerzan y la estructura se convierte en un marco arriostrado para transferir estas cargas laterales a los cimientos.
Entre la estructura se fijan elementos que absorben cargas laterales en forma de tensión axial o fuerza de compresión. Estos elementos se diseñan previo análisis de cargas laterales.
Existen diferentes tipos de sistemas de refuerzo.
- Diagonales individuales
- tirantes cruzados
- Teclas K
- teclas V
Diagonales individuales
Los soportes se fijan a lo largo de las diagonales del marco. Cuando estas estructuras están unidas, están dispuestas para absorber fuerzas de tracción axiales. Los elementos pueden absorber fuerzas de tracción mayores que las fuerzas de compresión. Por tanto, las diagonales se fijan en ambas direcciones para absorber las fuerzas transversales que actúan en ambas direcciones.
Luego podemos diseñar las vigas para fuerzas de tracción. Además, el fallo por compresión es mínimo.
El refuerzo en el lado de aplicación de la carga absorbe la carga lateral como fuerza de tracción.
tirantes cruzados
Se realizan arriostramientos diagonales y cruzados. La siguiente figura muestra la disposición de los travesaños.
Los travesaños están unidos a la estructura principal de varias formas. En lugar de un único soporte como en la imagen de arriba, también se pueden colocar soportes entre los marcos internos.
Teclas K
La siguiente figura muestra la estructura de un soporte K.
Los soportes se fijan a mitad de la columna.
teclas V
Los soportes se fijan en forma de V.
El refuerzo adicional de la estructura del marco reduce la deflexión lateral.
Estructura de marco rígido
La construcción con armazones proporciona estabilidad al edificio y es una de las formas de construcción más utilizadas. En este sistema constructivo, las vigas y columnas están conectadas con conexiones rígidas, como conexiones de momento.
- Las estructuras de marco rígido proporcionan más espacio libre con estructuras de marco rectangulares al nivel del suelo. Te dan más libertad a la hora de planificar planos de planta.
- El diseño y construcción de estructuras rígidas puede tener de 20 a 25 pisos de altura. Más allá de estos límites, sería más difícil controlar el desplazamiento lateral debido a la carga lateral, ya que esto se vuelve crítico a medida que aumenta la altitud.
- Sin embargo, no se pueden construir entre 20 y 25 tiendas en edificios de acero sin soportes laterales. Por lo tanto, estas estructuras son más adecuadas para estructuras de hormigón donde las columnas y vigas de hormigón tienen suficiente rigidez.
- La rejilla del altavoz se puede ampliar aprox. 6-9 metros.
- La estabilidad lateral está garantizada por columnas, vigas y conexiones viga-columna.
- Además, las dimensiones de columnas y vigas están muy influenciadas por cargas laterales además de cargas gravitacionales.
- A medida que aumenta la altura del edificio, se puede ajustar el tamaño de los elementos y la separación de las columnas para lograr la rigidez requerida.
- Al aumentar la altura del edificio aumenta la carga posterior, que actúa como fuerza cortante sobre los soportes. El dimensionamiento de la columna debe basarse en estas fuerzas que actúan sobre ella.
- Además, los momentos de flexión debidos a cargas laterales aumentarán en niveles más bajos. Por lo tanto, se necesita un apoyo más profundo en los niveles inferiores. Además, no es posible obtener la misma altura de viga en todas las plantas.
Construcciones de marco relleno
Los muros de relleno de mampostería se pueden utilizar para mejorar la capacidad de carga lateral de un edificio. Este tipo de estructuras están formadas por mampostería dentro del marco de hormigón.
Además, la continuación vertical de los muros de relleno es importante para garantizar la estabilidad lateral. No es absolutamente necesario que todas las paredes estén rellenas de mampostería. Sin embargo, se podría llenar al menos un plato.
Generalmente estos muros no se tienen en cuenta en los ensayos de carga sísmica sobre estabilidad lateral de edificios de tamaño medio.
La calidad de los ladrillos utilizados en estos muros es muy importante para construir buenas y sólidas estructuras. Las grietas en la pared pueden verse como una pérdida de rigidez de la pared. Grandes grietas en el muro no permiten considerar la estabilidad lateral de este muro.
Uno de los problemas más críticos es que tienden a aflojarse con el tiempo. Si los planes cambian o el cliente cambia, serán necesarias otras medidas internas y externas. Por lo tanto se eliminan las paredes de relleno. Si estos son mantenidos por los muros de relleno, la estabilidad lateral de la estructura se verá significativamente comprometida.
Por lo tanto, tener en cuenta la estabilidad lateral a través de la estructura podría ser más sensato y seguro para este tipo de formas estructurales.
Estructuras de muros de corte
Los muros de corte son muros de hormigón fijados verticalmente a la base y que tienen la rigidez necesaria para transferir las cargas verticales y horizontales que actúan sobre ellos.
En función de la altura y la superficie del edificio, se debe construir un número suficiente de muros de corte con un área de sección transversal adecuada para proporcionar la rigidez necesaria para soportar cargas laterales.
Los muros de corte se fabrican como muros de ascensores, muros centrales de escaleras, tabiques, etc. y se puede continuar desde el suelo hasta el techo.
Debido a que los muros de concreto son más rígidos que la estructura rígida de vigas y columnas de concreto, se pueden construir estructuras de muros de corte de hasta 34 pisos de altura.
En el contexto de estructuras construidas a partir de muros de carga, lo siguiente puede ser importante.
- El uso de muros de corte en la construcción es más adecuado para edificios con pisos repetidos. Como se explicó anteriormente, necesitamos continuar los muros de corte verticalmente. Por lo tanto, la repetición ofrece muchas ventajas para el diseño estructural así como para los costos de construcción.
- Se pueden diseñar edificaciones con hasta 35 ramales para cargas laterales considerando únicamente los muros de corte. La interacción entre el muro de corte y la estructura del marco puede considerarse mínima. En este método, diseñamos muros de corte de manera que puedan acomodar todas las cargas laterales sin transferirlas a la estructura.
- Además, los apoyos pueden tomar en cuenta las cargas verticales de la estructura y el momento flector de las vigas en función de diferentes casos de carga y alternativas. Cargas .
- Al planificar los planos de planta, los muros de corte deben colocarse de manera que queden expuestos a suficientes cargas verticales. Las cargas laterales sobre los muros dan lugar a tensiones de tracción si no están equilibradas por las tensiones de compresión creadas por las cargas verticales. Además, si la pared está bajo presión, podemos conseguir un diseño económico.
- En los edificios altos, a veces se reduce el espesor y la longitud de los muros, se derriban los muros, etc. Estas medidas tienen un impacto significativo en el comportamiento estructural. Los cambios de este tipo deben realizarse con mucho cuidado y con un análisis cuidadoso de la estructura.
- Si los muros de corte no están dispuestos simétricamente en cualquier dirección, la estructura se torcerá bajo carga lateral. Estas acciones deben tenerse en cuenta en el diseño y se debe utilizar un software de análisis computacional para modelar la estructura para determinar el comportamiento.
Estructuras de muros de corte acopladas
En la mayoría de los edificios altos, los muros de corte se construyen alrededor de los muros de los ascensores. Generalmente están orientados en ambas direcciones. También hay vestíbulos entre los núcleos de ascensores.
Estos núcleos de elevación pueden estar conectados mediante vigas de hormigón que permitan la interacción entre las paredes de los dos núcleos. Cuando dos muros de corte están conectados por una estructura resistente a momento, se les llama muros de corte acoplados. Esta conexión aumenta la capacidad de carga lateral de la estructura como si los muros actuaran individualmente.
La imagen de arriba muestra la disposición del muro de corte acoplado y su apariencia cuando se modela. Como se explicó anteriormente, utilizamos el acoplamiento de muros de corte para mejorar sus capacidades de transporte de carga posteriormente. La siguiente figura muestra claramente el área de mejora que se puede lograr mediante el acoplamiento de muros de corte.
Estructuras de marco de pared
Las estructuras que tienen en cuenta la interacción entre paredes y marcos se consideran estructuras de marco de pared. Si el número de pisos es superior a 15-20 pisos, se puede tener en cuenta la interacción entre las paredes y el marco.
Además, con tales formas estructurales se mejora significativamente la estabilidad lateral del edificio, teniendo en cuenta la interacción pared-estructura.
El muro de corte actúa como una viga en voladizo y un marco al mismo tiempo y muestra deformación por corte cuando se aplican cargas laterales. La combinación de estas dos acciones reduce la flecha lateral del edificio.
Como se muestra en la figura anterior, la parte inferior de las estructuras presenta comportamiento a flexión y la parte superior presenta comportamiento a cortante.
Las siguientes ventajas pueden destacarse como útiles cuando se utilizan estructuras de marco de pared.
- La deformación/deriva lateral es mucho menor que cuando se ve a lo largo del muro de corte.
- Reducción significativa del tiempo de almacenamiento de muros/núcleos de sótano.
- Los soportes pueden diseñarse como soportes.
El análisis computacional podría usarse para determinar el comportamiento exacto de los elementos estructurales y sus fuerzas.
Estructuras tubulares enmarcadas
La capacidad de carga lateral de los muros internos de hormigón está limitada por el aumento de la altura del edificio en relación con el área construida.
La longitud de los muros de corte en la dirección en la que actúan las cargas laterales es la medida de la rigidez lateral en esa dirección. Sin embargo, existen limitaciones. No podemos continuar los muros de corte en todo el piso.
En estos escenarios, sería útil considerar la efectividad de los tubos enmarcados en comparación con otras formas de estructura.
Nuestra estructura se puede utilizar para soportar cargas laterales. Para ello es necesario aumentar la profundidad de las vigas y la altura de los soportes.
Sin embargo, existen limitaciones para aumentar el tamaño de los elementos de la fachada, ya que necesitamos reducir el tamaño de las ventanas. Si podemos crear un marco alrededor del edificio como en la figura anterior, es posible soportar mayores cargas, ya que funciona como una estructura tubular.
Columnas espaciadas entre 2 y 4 m con vigas de gran canto a lo largo del perímetro forman una estructura tubular.
Tanto las estructuras de hormigón como las de acero se pueden construir como estructuras tubulares. Además, se pueden diseñar y construir edificios de 40 a 60 pisos utilizando este método.
Aunque la forma rectangular es más eficiente, también se podrían construir otras formas como circular y octogonal.
Estructuras de tubo dentro de tubo o núcleo de carcasa
Este tipo de formas estructurales tienen buena resistencia a cargas laterales.
Los muros centrales, que podrían construirse para construir ascensores y escaleras, podrían considerarse como tubos interiores.
Este sistema supone una mejora respecto a la estructura tubular que comentamos anteriormente.
En este sistema estructural, los muros centrales cooperan con el tubo perimetral para mejorar la capacidad de carga lateral.
Estructuras de tubos agrupados
Esta forma de construcción se utiliza en edificios más altos.
Este sistema es una combinación de varios tubos.
Este sistema estructural se utiliza en el edificio más alto, lo que requiere mayores refuerzos en las plantas inferiores. Además, este sistema tiene una resistencia muy alta a las cargas laterales.
Estructuras de tubos reforzados
Estos proyectos pueden construirse como estructuras de acero u hormigón.
La estructura de soporte fijada al tubo ofrece una resistencia muy alta a las cargas laterales. Además, la fijación de soportes de este tipo no afecta a la distribución interna del suelo.
Sin embargo, esto puede tener un impacto en el diseño de la fachada y las ventanas.
Los puntales fijados a todos los soportes garantizan una distribución más uniforme de las fuerzas laterales. Además, al conectar los puntales a los soportes verticales, las cargas axiales sobre los soportes se distribuyen entre sí.
Las columnas con mayor carga axial transfieren la carga a columnas con cargas más bajas.
Estructuras soportadas en voladizo
La eficiencia estructural de los edificios altos depende en gran medida de la rigidez y resistencia lateral. De los sistemas estructurales disponibles, los sistemas en voladizo son los más utilizados, especialmente en edificios con plantas repetidas.
Una viga profunda o una pared de piso a piso o una viga de acero erigida entre dos pisos se puede considerar un voladizo. Conecta el núcleo y el alcance.
El propósito de la pluma es conectar las estructuras internas y el sistema estructural perimetral para soportar cargas laterales. Los siguientes factores pueden afectar el desempeño del sistema de pluma como una de las formas estructurales útiles.
- Los sitios están construidos en toda la altura del edificio. Con una planificación adecuada, se puede seleccionar la mejor posición para la pluma mediante prueba y error. El modelo de análisis computacional puede seleccionar ubicaciones que minimicen las deflexiones laterales.
- Número de niveles de pluma disponibles
- Tu posición en el avión.
- Presencia de vigas de refuerzo para integrar columnas de borde adyacentes, a diferencia de aquellas que se asientan juntas con megacolumnas
- Profundidad de la viga de la pluma
La siguiente figura muestra las reducciones que se podrían lograr instalando un sistema voladizo en un edificio alto. La unión de las paredes de corte del núcleo aumenta el momento flector del núcleo.
En lugar de conectar el perímetro al núcleo, lo que trae muchos problemas con las funciones del edificio, se pueden incorporar correas en el perímetro. Esto permite a los usuarios utilizar el suelo de forma eficiente. Generalmente los suelos voladizos se utilizan como suelos de servicio.
Proporcionar un mayor número de barreras reduce la eficacia de barreras adicionales. En general, puede haber un máximo de unos 5 voladizos en un edificio. Además, dos lanzas son más eficientes que una.
Estructuras suspendidas
El elemento clave de este tipo de estructuras es el núcleo. El núcleo puede estar formado por muros de hormigón o elementos de celosía.
Todos los pisos que sobresalen del núcleo cuelgan de las vigas que parten del nivel del techo. En la planta baja habrá suficiente espacio.
Además, estructuras como puentes colgantes, etc. También se pueden considerar estructuras suspendidas.
estructuras espaciales
La estructura espacial tridimensional soporta las cargas verticales y horizontales que actúan sobre la estructura.
El principal sistema de carga es el sistema de estructura espacial tridimensional.
Debido a la complejidad de la estructura, el análisis estructural y el diseño de estas estructuras son comparativamente difíciles.
Para comprender el comportamiento estructural, como las trayectorias de carga, etc., se podría utilizar un modelo de análisis computacional.
Estructuras híbridas
Las estructuras híbridas son estructuras compuestas de múltiples combinaciones de los sistemas estructurales discutidos anteriormente.
Las estructuras híbridas se vuelven diseños más complicados debido a las diferentes combinaciones.
Además, la combinación de estas estructuras permite la creación de sistemas estructurales muy especiales, que también permiten un modelado aún más cuidado.
El análisis y diseño estructural son más complicados debido a la integración de diferentes sistemas en una sola estructura. Además, estas combinaciones deben seleccionarse y decidirse en función de la aplicabilidad del tipo de estructura.
Debido a la complejidad del sistema estructural, es necesario un estudio detallado en el análisis y diseño de estas estructuras. Además, se debe realizar un análisis asistido por ordenador utilizando un software adecuado para determinar el comportamiento global de la estructura.
