Construcciones y Estructuras Arriostradas

Edificación de estructuras con varios tipos de arriostramientos

Bogotá 24/7   311-5313815
En la construcción arriostrada, las vigas y columnas se diseñan solo bajo carga vertical, asumiendo que el sistema de arriostramiento soporta todas las cargas laterales.

Arriostramiento, Marcos estructurales arriostrados o Riostras

Estructura metálica con marco de acero reforzado y arriostramiento en Bogotá, Colombia

Estructura metálica de acero reforzado y arriostamiento

Los marcos estructurales arriostrados o riostras son una forma muy común de construcción, económica de construir y simple de analizar. La economía proviene de las conexiones económicas, fijadas nominalmente entre vigas y columnas.

El arriostramiento, que proporciona estabilidad y resiste cargas laterales, puede ser de miembros diagonales de acero o de un 'núcleo' de concreto. En la construcción arriostrada, las vigas y columnas están diseñadas solo bajo carga vertical, suponiendo que el sistema de arriostramiento soporta todas las cargas laterales.

Sistemas de arriostramiento

Tipos de arriostramiento en estructuras y construcciones de acero en Bogotá, Colombia

Marco de acero reforzado con distintos tipos de arriostramiento y vigas celulares

En un edificio de varios pisos , las vigas y columnas generalmente están dispuestas en un patrón ortogonal tanto en elevación como en planta. En un edificio de marco reforzado, la resistencia a las fuerzas horizontales es proporcionada por dos sistemas de arriostramiento ortogonales :

  • Arriostramiento vertical. Los arriostramientos en planos verticales (entre líneas de columnas) proporcionan caminos de carga para transferir fuerzas horizontales al nivel del suelo y proporcionar estabilidad lateral.
  • Arriostramiento horizontal. En cada nivel de piso, el arriostramiento en un plano horizontal, generalmente proporcionado por la acción de la placa del piso, proporciona una ruta de carga para transferir las fuerzas horizontales (principalmente desde las columnas del perímetro, debido al viento) a los planos de arriostramiento vertical.

Arriostramiento y ruta de transferencia de carga.

Como mínimo, se necesitan tres planos verticales de arriostramiento, para proporcionar resistencia en ambas direcciones en planta y para proporcionar resistencia a la torsión alrededor de un eje vertical. En la práctica, generalmente se proporcionan más de tres, por ejemplo, en las ubicaciones que se muestran esquemáticamente en la figura a continuación.

Disposición típica de arriostramiento vertical en marcos estructurales en Bogotá, Colombia

Disposición típica de arriostramiento vertical.

Suponiendo que los pisos actúan como diafragmas para proporcionar arriostramiento horizontal, las fuerzas transportadas por cada plano de arriostramiento vertical dependen de su rigidez y ubicación relativas, y de la ubicación del centro de presión de las fuerzas horizontales (ver más discusión sobre la ubicación de la vertical planos de refuerzo, a continuación).

El refuerzo vertical, en forma de miembros diagonales de acero, que proporciona estabilidad en un edificio de varios pisos se muestra en la figura a continuación. La estabilidad de un edificio también puede ser proporcionada parcial o totalmente por uno o más núcleos de hormigón armado.

Arriostramiento vertical en un edificio de varias plantas en Bgootá, Colombia

Arriostramiento vertical en un edificio de varias plantas.

Ubicación de planos de arriostramiento vertical

Es preferible ubicar los arriostramientos en o cerca de las extremidades de la estructura, para resistir cualquier efecto de torsión. Ver figura a la derecha.

Cuando los conjuntos de arriostramiento son idénticos o similares, es suficiente suponer que las fuerzas horizontales (cargas de viento y fuerzas horizontales equivalentes, cada una aumentada para efectos de segundo orden si es necesario, ver la discusión a continuación) se comparten por igual entre los sistemas de arriostramiento en el ortogonal dirección bajo consideración.

Cuando las rigideces de los sistemas de arriostramiento vertical difieren o los sistemas de arriostramiento se ubican asimétricamente en el plano, como se muestra en la figura a continuación, no se debe suponer un reparto equitativo de las fuerzas.

Las fuerzas transportadas por cada sistema de arriostramiento pueden calcularse asumiendo que el piso es una viga rígida y los sistemas de arriostramiento son soportes de resorte, como se muestra en la figura a continuación.

Determinación de las fuerzas de arriostramiento para la disposición asimétrica de arriostramientos en Bogotá, Colombia

Determinación de las fuerzas de arriostramiento para la disposición asimétrica de arriostramientos.

La rigidez de cada sistema de arriostramiento debe calcularse aplicando fuerzas horizontales a cada sistema de arriostramiento y calculando la deflexión. La rigidez del resorte (normalmente en mm / kN) se puede utilizar para calcular la distribución de la fuerza para cada sistema de arriostramiento.

Refuerzo vertical o arriostramientos verticales

Voladizo de cerchas en Bogotá, Colombia

Voladizo de cerchas.

En un edificio arriostrado de varios pisos, los planos de arriostramiento vertical generalmente se proporcionan mediante arriostramientos diagonales entre dos líneas de columnas, como se muestra en la figura siguiente.

Se proporcionan diagonales simples, como se muestra, en cuyo caso deben diseñarse para tensión o compresión, o se proporcionan diagonales cruzadas, en cuyo caso se pueden proporcionar elementos de arriostramiento delgados que solo soporten tensión.

Nótese que cuando se utilizan diagonales cruzadas y se asume que solo las diagonales de tracción proporcionan resistencia, las vigas del piso participan como parte del sistema de arriostramiento (en efecto, se crea una cercha Pratt vertical , con diagonales en tensión y postes - las vigas del piso - en compresión).

El arriostramiento vertical debe diseñarse para resistir las fuerzas debidas a lo siguiente:

  • Cargas de viento.
  • Fuerzas horizontales equivalentes, que representan el efecto de las imperfecciones
  • iniciales.
  • Efectos de segundo orden debido al balanceo (si el marco es sensible a efectos de segundo orden).

En las secciones siguientes se discute orientación sobre la determinación de fuerzas horizontales equivalentes y sobre la consideración de efectos de segundo orden, y también se encuentra disponible una herramienta de diseño de estabilidad del marco estructural.

Las fuerzas en los miembros individuales del sistema de arriostramiento deben determinarse para las combinaciones apropiadas de acciones. Para los elementos de arriostramiento, es probable que las fuerzas de diseño en ULS debidas a la combinación en la que la carga de viento es la acción principal sean las más onerosas.

Siempre que sea posible, se recomiendan elementos de arriostramiento inclinados aproximadamente a 45 °. Esto proporciona un sistema eficiente con fuerzas de miembro relativamente modestas en comparación con otras disposiciones, y significa que los detalles de conexión donde el arriostramiento se encuentra con las uniones de viga / columna son compactos. Los sistemas de arriostramiento estrechos con miembros internos muy inclinados aumentarán la sensibilidad al balanceo de la estructura. Los sistemas de arriostramiento anchos resultarán en estructuras más estables.

La siguiente tabla proporciona una indicación de cómo varía la deflexión máxima con el diseño del arriostramiento, para un tamaño constante de sección transversal del arriostramiento.

Eficiencia de arriostramiento

Altura del piso

Ancho de arriostramiento

Ángulo desde horizontal

Relación de deflexión máxima (en comparación con el arriostramiento a 34°)

h

2h

26°

0,9

h

1,5 h

34°

1.0

h

h

45°

1,5

h

0,75 h

53°

2.2

h

0,5 h

63°

4.5

Refuerzo horizontal

Refuerzo horizontal o arriostramiento horizontal en el techo de un edificio de una sola planta en Bogotá, Colombia

Refuerzo horizontal o arriostramiento horizontal (en el techo) en un edificio de una sola planta.

Se necesita un sistema de arriostramiento horizontal en cada nivel del piso, para transferir las fuerzas horizontales (principalmente las fuerzas transferidas desde las columnas perimetrales) a los planos de arriostramiento vertical que brindan resistencia a las fuerzas horizontales.

Hay dos tipos de sistemas de arriostramiento horizontal que se utilizan en marcos arriostrados de varios pisos :

  • Diafragmas.
  • Refuerzos triangulados discretos.

Por lo general, el sistema de piso será suficiente para actuar como un diafragma sin necesidad de refuerzos de acero adicionales. A nivel del techo, es posible que se requieran refuerzos, a menudo conocidos como viga de viento, para llevar las fuerzas horizontales en la parte superior de las columnas, si no hay diafragma. Vea la figura de la derecha.

Diafragmas horizontales

Todas las soluciones de piso que involucran encofrados permanentes, como plataformas metálicas fijadas mediante soldadura de pernos a través de la plataforma a las vigas, con relleno de concreto in situ, proporcionan un excelente diafragma rígido para llevar las fuerzas horizontales al sistema de arriostramiento.

Los sistemas de pisos que involucran tablas de concreto prefabricado requieren una consideración adecuada para asegurar una transferencia adecuada de fuerzas si van a actuar como un diafragma. El coeficiente de fricción entre los tablones y la estructura de acero puede ser tan bajo como 0,1 e incluso menor si el acero está pintado. Esto permitirá que las losas se muevan entre sí y se deslicen sobre la estructura de acero. La lechada entre las losas solo superará parcialmente este problema, y ​​para cizallas grandes, se requerirá un sistema de atado más positivo entre las losas y desde las losas hasta la estructura de acero.

La conexión entre losas se puede lograr mediante el refuerzo en la capa superior. Esto puede ser de malla o se pueden colocar amarres a lo largo de ambos extremos de un juego de tablas para asegurar que todo el piso actúe como un solo diafragma. Normalmente, una barra de 10 mm a la mitad de la profundidad del acabado será satisfactoria.

La conexión a la estructura de acero se puede lograr mediante uno de dos métodos :

  • Encierre las losas con un marco de acero (en los ángulos de los estantes o una restricción especialmente proporcionada) y llene el espacio con concreto.
  • Proporcione lazos entre la capa superior sobre los tablones y una capa superior in situ a la estructura de acero (conocida como "franja de borde"). Proporcione a la viga de acero algún tipo de conectores de corte para transferir fuerzas entre la banda de borde in situ y la estructura de acero.

Si las fuerzas del diafragma del plano se transfieren a la estructura de acero a través de un apoyo directo (normalmente, la losa puede apoyarse en la cara de una columna), se debe verificar la capacidad de la conexión. Generalmente, la capacidad está limitada por el aplastamiento local de la tabla. En todos los casos, el espacio entre el tablón y el acero debe repararse con hormigón in situ.

No se considera que los pisos de madera y los pisos construidos con vigas en T invertidas prefabricadas de hormigón y bloques de relleno (a menudo conocidos como pisos de 'vigas y macetas') brinden un diafragma adecuado sin medidas especiales.

Refuerzos triangulados discretos

Disposición típicas de arriostramientos del piso en Bogotá, Colombia

Disposición típicas de arriostramientos del piso.

Cuando no se pueda confiar en la acción del diafragma desde el piso, se recomienda un sistema horizontal de refuerzos de acero triangulados. Puede que sea necesario proporcionar un sistema de arriostramiento horizontal en cada dirección ortogonal.

Normalmente, los sistemas de arriostramiento horizontal se extienden entre los 'soportes', que son las ubicaciones del arriostramiento vertical. Esta disposición a menudo conduce a una cercha que abarca todo el ancho del edificio, con una profundidad igual a los centros de la bahía, como se muestra en la figura de la izquierda.

El arriostramiento del piso se arregla frecuentemente como una Cercha Warren, o como una Cercha Pratt, o con miembros cruzados que actúan solo en tensión.

Los efectos de las imperfecciones

Es necesario incorporar las tolerancias adecuadas en el análisis estructural para cubrir los efectos de las imperfecciones, incluidas las imperfecciones geométricas como la falta de verticalidad, falta de rectitud, falta de planitud, falta de ajuste y cualquier excentricidad menor presente en las juntas de la estructura descargada.

Deben tenerse en cuenta las siguientes imperfecciones :

  • Imperfecciones globales para marcos y sistemas de arriostramiento.
  • Imperfecciones locales para miembros individuales.

Las imperfecciones globales pueden tenerse en cuenta modelando el marco estructural fuera de la plomada o mediante una serie de fuerzas horizontales equivalentes aplicadas a un marco modelado verticalmente. Se recomienda el último enfoque.

En un marco estructural arriostrado con conexiones nominalmente clavadas, no se necesita ningún margen en el análisis global para las imperfecciones locales en los miembros porque no influyen en el comportamiento global y se tienen en cuenta al verificar las resistencias de los miembros de acuerdo con el Estándar de diseño. Si se asumieran conexiones resistentes a momentos en el diseño del marco, es posible que sea necesario tener en cuenta las imperfecciones locales.

Imperfecciones para el análisis global de marcos arriostrados

Imperfecciones de balanceo equivalente

Imperfecciones de balanceo equivalente.

El efecto de las imperfecciones del marco se permite mediante una imperfección de balanceo inicial. Vea la figura de la derecha.

La imperfección básica que se permite es una falta de verticalidad Φ0 de 1/200. Esta tolerancia es mayor que las tolerancias normalmente especificadas porque permite tanto los valores reales que exceden los límites especificados como los efectos residuales como la falta de ajuste. La tolerancia de diseño en BS viene dada por :

Φ = Φ 0 α h α m = 1/200 α h α m

donde α h es un factor de reducción para la altura total y α m es un factor de reducción que depende del número de columnas en una fila. Esto supone que cada fila tiene arriostramiento. De manera más general, α m debe calcularse de acuerdo con el número de columnas estabilizadas por el sistema de arriostramiento, generalmente de varias filas.

Por simplicidad, el valor de Φ puede tomarse de forma conservadora como 1/200, independientemente de la altura y el número de columnas.

Donde, para cada piso, la fuerza horizontal aplicada externamente excede el 15% de la fuerza vertical total, las imperfecciones de balanceo pueden ser despreciadas (porque tienen poca influencia sobre la deformación del balanceo).

Fuerzas horizontales equivalentes

Las imperfecciones de balanceo vertical pueden ser reemplazadas por sistemas de fuerzas horizontales equivalentes, introducidas para cada columna. Es mucho más fácil usar fuerzas horizontales equivalentes que introducir la imperfección geométrica en el modelo. Esto es porque :

  • La imperfección debe probarse en cada dirección para encontrar el mayor efecto y es más fácil aplicar cargas que modificar la geometría.
  • Modificar la geometría de la estructura puede ser difícil si las bases de las columnas están en diferentes niveles, ya que la imperfección de la oscilación varía entre las columnas.

Las fuerzas horizontales equivalentes tienen el valor de diseño de φ N Ed en la parte superior e inferior de cada columna, donde N Ed es la fuerza en cada columna; las fuerzas en cada extremo están en direcciones opuestas. Al diseñar el marco, y específicamente las fuerzas en el sistema de arriostramiento, es mucho más fácil considerar la fuerza neta equivalente en cada nivel del piso. Por lo tanto , se debe aplicar una fuerza horizontal equivalente igual a Φ veces la fuerza de diseño vertical total aplicada a ese nivel de piso en cada piso y nivel de techo.

Casos de diseño adicionales para sistemas de arriostramiento

El sistema de arriostramiento debe soportar las cargas aplicadas externamente, junto con las fuerzas horizontales equivalentes. Además, el arriostramiento debe comprobarse para otras dos situaciones de diseño que son locales al nivel del suelo:

  • Fuerzas horizontales de diafragmas de piso.
  • Fuerzas debidas a imperfecciones en empalmes.

En ambas situaciones de diseño, el sistema de arriostramiento se verifica localmente (considerando los pisos arriba y abajo) para la combinación de la fuerza debida a cargas externas junto con las fuerzas debidas a cualquiera de las imperfecciones anteriores. Las fuerzas horizontales equivalentes modeladas para tener en cuenta el balanceo del marco no se incluyen en ninguna de estas combinaciones. Solo se debe considerar una imperfección a la vez.

Las fuerzas horizontales a considerar, son la acumulación de todas las fuerzas en el nivel considerado, divididas entre los sistemas de arriostramiento.

Es una práctica normal controlar estas fuerzas sin cizallas de vigas coexistentes. La justificación es que la probabilidad de corte máximo de la viga más las imperfecciones máximas junto con la resistencia mínima de conexión está más allá de la probabilidad de diseño del código de diseño.

Imperfección para análisis de sistemas de arriostramiento

En el análisis de los sistemas de arriostramiento que se requieran para proporcionar estabilidad lateral dentro de la longitud de vigas o miembros de compresión, los efectos de las imperfecciones deben incluirse mediante una imperfección geométrica equivalente de los miembros a frenar, en forma de arco inicial. imperfección :

e 0 = α m L / 500

dónde :

L es el tramo del sistema de arriostramiento

Número de miembros a restringirdonde m es el número de miembros a restringir.

Fuerza estabilizadora equivalente

Fuerza estabilizadora equivalente.

Por conveniencia, los efectos de las imperfecciones iniciales del arco de los miembros que deben ser restringidos por un sistema de arriostramiento pueden ser reemplazados por la fuerza estabilizadora equivalente como se muestra en la figura de la derecha.

Sistema de arriostramiento, fuerza estabilizadora

donde

δ q es la deflexión en el plano del sistema de arriostramiento debido a q más cualquier carga externa calculada a partir del análisis de primer orden. Se recomienda el uso de fuerzas estabilizadoras equivalentes.

Efectos de segundo orden

Los efectos de la geometría deformada de la estructura (efectos de segundo orden) deben considerarse si las deformaciones aumentan significativamente las fuerzas en la estructura o si las deformaciones modifican significativamente el comportamiento estructural. Para el análisis global elástico, los efectos de segundo orden son significativos si α cr es menor que 10.

El criterio debe aplicarse por separado para cada piso, para cada combinación de acciones consideradas. Normalmente, esto incluirá cargas verticales y horizontales y EHF, como se muestra en el diagrama. En los marcos arriostrados, la estabilidad lateral la proporcionan únicamente los arriostramientos; las uniones nominalmente ancladas no contribuyen a la estabilidad del marco.

En la mayoría de los casos, el piso más bajo dará el valor más bajo de α cr.

Fuerzas horizontales aplicadas al sistema de arriostramiento

Fuerzas horizontales aplicadas al sistema de arriostramiento.

Subsidio para efectos de segundo orden

Cuando los efectos de segundo orden son significativos y deben incluirse, el método más común utilizado es mediante la amplificación de un análisis elástico de primer orden utilizando la geometría inicial de la estructura. El uso de este método está sujeto a la limitación de que α cr > 3. Si α cr es menor que 3, se debe utilizar un análisis de segundo orden.

En un marco arriostrado, donde las conexiones de la viga a la columna están nominalmente ancladas y, por lo tanto, no contribuyen a la rigidez lateral, los únicos efectos a amplificar son las fuerzas axiales en los arriostramientos y las fuerzas en las columnas que se deben a su función como pieza del sistema de arriostramiento.

El factor de amplificación se da como:

Amplificación de los efectos debido a las fuerzas horizontales

Solo es necesario amplificar los efectos debidos a las fuerzas horizontales (incluidas las fuerzas horizontales equivalentes).

Análisis de segundo orden

Hay disponible una gama de software de análisis de segundo orden. El uso de cualquier software dará resultados que son hasta cierto punto aproximados, dependiendo del método de solución empleado, los tipos de efectos de segundo orden considerados y los supuestos del modelado. Generalmente, el software de segundo orden permitirá automáticamente las imperfecciones del marco, por lo que el diseñador no necesitará calcular y aplicar las fuerzas horizontales equivalentes. Los efectos de la geometría deformada (efectos de segundo orden) se tendrán en cuenta en el análisis.

Proceso de diseño resumido para sistemas de arriostramiento

Se recomienda el siguiente proceso de diseño simple para un edificio típico de altura media que utiliza marcos arriostrados.

  1. Elija tamaños de sección apropiados para las vigas.
  2. Elija tamaños de sección apropiados para las columnas (que pueden diseñarse inicialmente solo para la fuerza axial, dejando cierta disposición para los momentos flectores nominales, que se determinarán en una etapa posterior).
  3. Calcule las fuerzas horizontales equivalentes (EHF), piso por piso, y las cargas de viento.
  4. Calcule la cizalladura total en la base del arriostramiento, agregando la carga de viento total al EHF total y compartiendo esto de manera apropiada entre los sistemas de arriostramiento.
  5. Dimensione los miembros de refuerzo. Se puede dimensionar el miembro de refuerzo más bajo (con la mayor fuerza de diseño), basado en el cortante determinado en el Paso 4. Se puede usar un tamaño de sección más pequeño más arriba de la estructura (donde el refuerzo está sujeto a fuerzas menores) o el mismo tamaño puede ser utilizado para todos los miembros.
  6. Evalúe la estabilidad del marco, en términos del parámetro α cr , utilizando la combinación de EHF y cargas de viento como las fuerzas horizontales sobre el marco, junto con las cargas verticales.
  7. Determine un amplificador, si es necesario (es decir, si α cr <10). Si el marco es sensible a efectos de segundo orden, todas las fuerzas laterales deben amplificarse. Si este es el caso, es posible que sea necesario volver a comprobar los elementos de refuerzo para comprobar si hay mayores fuerzas (paso 5).
  8. En cada nivel del piso, verifique que la conexión al diafragma pueda soportar el 1% de la fuerza axial en la columna en ese punto (claramente, la fuerza de diseño más onerosa está en el piso soportado más bajo).
  9. Verifique que los diafragmas del piso sean efectivos para distribuir todas las fuerzas a los sistemas de arriostramiento.
  10. En los niveles de empalme, determine la fuerza total que resistirá el arriostramiento localmente (que generalmente será la suma de varias columnas). Verifique que el arriostramiento local al empalme pueda soportar estas fuerzas además de las fuerzas debidas a cargas externas (las EHF no se incluyen al hacer esta verificación).
  11. Verifique que el arriostramiento local de cada piso pueda soportar las fuerzas de sujeción de ese piso, además de las fuerzas debidas a cargas externas (las EHF no se incluyen al hacer esta verificación).

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