semana 1 diseñadores estructurales

SEMANA 1

Diseñadores Estructurales

Introducción a la Guía de Diseño para

una Edificación Prefabricada


Introducción a la prefabricación

La producción de componentes constructivos

para su uso posterior en la obra no es una

idea nueva. El concepto puede encontrarse en

la edificación a través de todas las épocas.


La historia de la prefabricación se

remonta a la era de los romanos con la

construcción de arcos y bóvedas

Contexto histórico


El concreto romano se vio

influenciado por la técnica

del tapial.

Se empezó a desarrollar el

uso de moldes de madera

para dar formas diferentes a

sus construcciones.

Contexto histórico


En estructuras tan antiguas como el monumento megalítico de

Stonehenge. construido en el siglo XX antes de Cristo, se pueden

encontrar técnicas de construcción que se pueden considerar comolos antecedentes de la construcción con elementos prefabricados.

Stonehenge


Los elementos utilizados en la obra son de piedra de arenisca

azulada que fueron trasladados de un lugar en Gales hasta el lugar de la obra en Inglaterra a varios kilómetros de distancia.

Stonehenge


Las jambas o columnas de varias

toneladas de peso se izaron con

cuerdas para ser insertadas en

huecos hechos en la tierra. Después

de plomearlos y colocados en su

exacta posición se rellenó el huecopara mantenerlo en forma vertical.

Stonehenge


Los dinteles o trabes de forma

circular se colocaron sobre las

columnas y mediante un sistema de

espigas y conectores que le dio

estabilidad al sistema.

Stonehenge


Se puede decir que este monumento es el

precursor de la construcción prefabricada por su

proceso constructivo tan avanzado para la época.

Stonehenge


Contexto histórico puentes

En lo que respecta a la construcción de puentes, en tiempos

ancestrales se usaban troncos caídos, piedras u otrosmateriales naturales para cruzar barreras geográficas.



Algunos de los más antiguos sobrevivientes de puentes,

datan del siglo II antes de Cristo. Típicamente son arcos depiedra y bóvedas.


El uso de concreto reforzado probablemente empezó con el Puente

Homersfield sobre el río Waveney, en Inglaterra, en 1870 donde se

dejaron perfiles de acero ahogados en el concreto.



Desarrollo de la prefabricación

A Joseph Monier se le

considera el padre de la

prefabricación.

En el año 1867 Joseph Monier patentó

diversos productos fabricados con concreto

armado. Basados en estos inventos se

crearon los elementos prefabricados y los

llamados métodos de construcción en serie y

los elementos macizos.


Eugène Freyssinet ideó en 1933 un

modo de mejorar las condiciones

del concreto armado, al cual

denominó “concreto pretensado".


Hangar para globos de Orly (1921-1923)



Fue Gustave Magnel, un ingeniero belga,

quien escribió el primer libro de diseño

de concreto presforzado.

Magnel, Gustave (1889-1955)


Cuando Gustave Magnel en 1950 diseñó y

construyó el puente Walnut Lane Memorial en

Philadelphia, revolucionó la construcción con

concreto presforzado en América.



Durante la Segunda Guerra Mundial muchos puentes fueron

destruidos. Para la reconstrucción de dichos puentes la llegada del

concreto presforzado fue la técnica que mayormente fue utilizada.



La construcción con elementos prefabricados de concreto se ha

incrementado de manera muy importante a lo largo de los últimos años.



La búsqueda de mejores y más

eficientes procesos constructivos, ha

llevando a la construcción a procesos

cada vez más industrializados.



Actualmente la utilización de elementos de concreto prefabricado y presforzado abarcan a estructuras muy variadas.



Se han creado estructuras prefabricadas donde arquitectos e

ingenieros han aplicado la imaginación y la creatividad para

lograr estructuras funcionales, seguras, económicas y estéticas.



ANIPPAC - ANIVIP

La Asociación de Industriales del Presfuerzo y a la Prefabricación

(ANIPPAC) y la Asociación Nacional de Industriales de Vigueta Pretensada

(ANIVIP), presentan una guía de diseño de estructuras de concreto

prefabricado y presforzado.

SEMANA 1


Proyecto de Diseño de un

Edificio Prefabricado


Fundamentos del presfuerzo

El presfuerzo permite crear

esfuerzos permanentes en

un elemento estructural para

mejorar su comportamiento

de servicio y aumentar su

resistencia.



En una viga de concreto reforzado, menos de la mitad del concreto está

en compresión, y aparecen grietas en la fibra inferior bajo la carga.



Cuando a una viga de concreto se le aplica presfuerzo,

toda la sección está en compresión. La excentricidad del

acero de presfuerzo causa una contraflecha en el

elemento.



Bajo carga de servicio, la viga presforzada se deforma, hasta una

condición de esfuerzos de compresión o muy poca tensión , por lo

que la aparición de grietas se controla.



Algunas ventajas del concreto presforzado son las siguientes:

❑Mejor comportamiento ante cargas de servicio por el control del agrietamiento y la deflexión.

❑Permite el uso óptimo de materiales de alta resistencia, tales comoconcretos con resistencia a la compresión superior a 50 MPa (500kg/cm2) y aceros de presfuerzo con resistencia a la tensión superior a1860MPa (18600 kg/cm2).

❑Se obtienen elementos más eficientes y esbeltos, con menos empleo demateria.



❑ La producción en serie en plantas permite mayor control de calidad y abatimiento de costos.

❑Mayor rapidez de construcción al atacarse al mismo tiempo variosfrentes o construirse simultáneamente distintas partes de laestructura; esto en general conlleva importantes ventajaseconómicas en un análisis financiero completo.

❑El concreto presforzado tiene una mayor durabilidad a largo plazo,debido al uso de concretos de alta resistencia con baja relaciónagua/material cementante (a/mc) y uso de aditivos que promueveun material denso y durable.



❑ Los elementos prefabricados de concreto pueden diseñarse concualidades estéticas, con formas, colores, texturas y relieves para

elementos de fachada.

❑En un análisis costo-beneficio, una estructura construida conelementos presforzados puede proporcionar el beneficio de bajomantenimiento, menor depreciación y rápido retorno de inversión,entre otros.

❑ Las estructuras prefabricadas pueden contribuir a varios aspectossustentables, tales como: en su producción contribuyen con laeficiencia en el uso de cemento, agua, bajo desperdicio en obra; y ensu aplicación, se disminuyen las emisiones de ruido y polvo, y en suvida útil, contribuyen por su durabilidad y capacidad de brindareficiencia energética.



Gracias a la combinación del concreto

y el acero de presfuerzo es posible

producir, en un elemento estructural,

esfuerzos y deformaciones que

contrarresten total o parcialmente a los

producidos por las cargas

gravitacionales, o en algunos casos

acciones sísmicas, que actúan en el

elemento, lográndose así diseños más

eficientes.


Elementos de una edificación prefabricada


Descripción del Proyecto

La estructura que se analiza y diseña en este ejemplo

corresponde a un centro comercial con cuatro niveles de 6 m

de altura destinados a uso comercial, y dos niveles para

estacionamiento con altura de entrepiso de 3.7m.



La planta se forma con 8 crujías de 16m en la dirección

larga y 5 crujías de 10m en la dirección corta.



El sistema estructural

está formado por marcos

de concreto en las dos

direcciones.

Geometría de marcos Ejes A a I



Para fines prácticos y didácticos, se considera que la

estructura con marcos es la más adecuada.

Geometría de marcos en la dirección X.



El sistema de piso está formado por losas tipo Doble Te de 70 cm y

90 cm de peralte simplemente apoyadas en trabes portantes de 60

cm de ancho y peraltes de 120 y 140 cm. En el sentido largo se

cuenta con trabes de rigidez de 50 cm de ancho y de peraltes de 120

y 140 cm. Las columnas son de sección rectangular de 120 x 150 cm.


Secciones de Elementos


Consideraciones de Diseño

Las unidades que se refieren en esta guía son por lo general,

las que usualmente se ocupan en México y que corresponden

al sistema gravitacional, entre las cuales se mencionan:

- Fuerza. Kg (que corresponde al kgf).

- Longitud: cm.

- Momento: kg-cm

- Esfuerzo: kg/cm2.

También se emplean equivalencias de estas unidades en

toneladas (para las cargas) y en metros (m) para longitudes.

UNIDADES:


El Sistema Estructural Resistente a Fuerzas Gravitacionales y Sísmicas

(SERFGS), es a base de marcos de concreto prefabricado con ductilidad

baja en las dos direcciones.

El análisis estructural se realiza con la ayuda de programa SAP2000, con

base en las dimensiones de la estructura y sus elementos, mostrada

anteriormente.



Se considera la reducción de las inercias por agrietamiento como se indica

en las NTCDEC:


Para el caso de las vigas, la norma especifica usar 0.5 Ig,

sin embargo, como todas las vigas serán presforzadas

consideramos un valor de 0.7 Ig, además de que no se

toma la contribución de los firmes en la sección de la trabe.

Para las columnas 0.7 Ig.


Características de los Materiales

Los elementos estructurales de la estructura son principalmente de concretopresforzado o de concreto reforzado. Los materiales que se utilizaron para el diseñode la estructura se describen en la siguiente tabla, dependiendo del elemento:

Materiales:Concreto en Columnas f’c = 600 kg/cm2

Concreto en Trabes f´c = 600 kg/cm2

E = 318,206.63 kg/cm2 (agregado calizo)

Concreto en firmes f’c = 250 kg/ cm2

E = 221,359.44 kg/ cm2

Acero de Refuerzo fy = 4200 kg/ cm2

Acero de Presfuerzo fpu = 18,900.00 kg/ cm2

Esp = 1,960,000.00 kg/ cm2


Cargas

Cargas Muertas:

Son aquellas cargas que tienen una variación despreciable durante la vida del

proyecto. Para el modelo del edificio se consideran como cargas muertas:

- Peso propio de la cimentación:

a)Peso propio de zapatas y contratrabes, además de los muros

diafragma.

-Peso propio de la estructura:

a)Peso propio de las trabes, losas y columnas.

b)Peso propio de los firmes de compresión

c)Peso propio de muros (desligados de la estructura).

-Las debidas a cargas permanentes según el reglamento de

construcciones.


Cargas

Son aquellas que tienen una variación importante durante la vida

del edificio, con una alta frecuencia de ocurrencia.

En el modelo estructural del edificio, se consideraron los efectos

debidos a:

-Carga viva:

350 kg/m2, por ser carga de centro comercial; y

250 kg/m2 en niveles de estacionamiento.

De acuerdo al reglamento construcciones.

Cargas Vivas o variables:


Cargas Asociadas a la Estructura


ANIPPAC - ANIVIP

La Asociación de Industriales del Presfuerzo y a la Prefabricación

(ANIPPAC) y la Asociación Nacional de Industriales de Vigueta Pretensada

(ANIVIP) les invitan a seguir el desarrollo de la guía de la estructura

descrita donde se abordarán todos los pasos en el análisis y diseño de una

estructura con elementos prefabricados y presforzados.

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