Diseño arquitectónico y análisis de los miembros de las estructuras de acero

Diseño arquitectónico, conceptos estructurales y análisis de la estructura

El proceso de diseño abarca el diseño arquitectónico, el desarrollo del concepto estructural , el análisis de la estructura de acero y la verificación de los miembros.

Las soluciones de acero son más livianas que sus equivalentes de concreto, con la oportunidad de proporcionar más espacio de piso flexible sin columnas, menos cimientos y un programa de construcción rápido y seguro. Para el diseñador, una solución de acero significa materiales confiables, propiedades garantizadas de materiales y secciones , fabricación precisa fuera del sitio y un amplio soporte que incluye software, guías de diseño y tablas de resistencia fáciles de usar.

El proceso fundamental del diseño estructural comienza con la preparación de un concepto estructural, que se basa en un diseño arquitectónico para la estructura. Para formas de estructura simples y comunes, será posible preparar un diseño conceptual directamente del diseño arquitectónico; las soluciones típicas se entienden bien.

Para estructuras más complejas o diseños innovadores, la mejor práctica es desarrollar el concepto estructural junto con el esquema arquitectónico, de modo que se pueda desarrollar una solución eficiente y apropiada. Una vez que se ha establecido el diseño del concepto, se puede completar el diseño estructural, lo que implica la determinación de las cargas, el análisis del marco y la verificación de los miembros.

Diseño de acero

El acero es ideal para el diseño. Las propiedades de los materiales son conocidas y las propiedades de los miembros son precisas, lo que significa que el análisis es preciso. Las reglas de diseño son claras y se han desarrollado durante muchas décadas. Existe una gran cantidad de recursos de soporte, incluido el software, para facilitar un diseño eficiente.

Diseño conceptual

La elección y el diseño de la estructura primaria es una parte fundamental del diseño conceptual de los edificios e idealmente debe integrarse con el desarrollo del diseño arquitectónico. Cumplir con los requisitos del cliente, la planificación y la regulación de la construcción es primordial, pero habrá una variedad de formas estructurales que cumplan con estos requisitos, cada una con sus propias ventajas. Los méritos de las diferentes formas estructurales deben revisarse contra los requisitos de la estructura. Las consideraciones clave incluyen :

• Costo y rapidez de construcción.
• Altura del edificio y relación de parcela.
• Futura flexibilidad y adaptabilidad.
• Limitaciones del sitio, incluidas las condiciones del terreno.
• La necesidad de arreglos estructurales especiales en espacios públicos o áreas de circulación.
• Rejillas de piso y coordinación dimensional con la cuadrícula de planificación.
• Profundidad de construcción estructural (techo a nivel del piso).
• Estrategia de servicio y su coordinación e integración con la estructura (horizontal y verticalmente).
• Cargas de piso.
• Resistente al fuego.
• Requisitos de sostenibilidad.

Elementos estructurales principales de un edificio de varias plantas en Bogotá, Colombia

Los principales elementos estructurales de un edificio típico de varios pisos comprenden pisos, vigas y columnas. Se puede usar una amplia variedad de formas y arreglos alternativos en estructuras de acero de varios pisos para brindar los beneficios de :

• Economía.
• Construcción de piso poco profundo./li>
• Integración de servicios.
• Piso flexible, sin columnas.
• Bases reducidas.
• Construcción rápida en el sitio.

Arriostramiento típico de un marco de varias plantas

Factores que afectan la elección del sistema estructural

Las cuadrículas de piso definen el espacio de las columnas en direcciones ortogonales, que están influenciadas por :

• La cuadrícula de planificación (generalmente basada en múltiplos de 0.6 m, 1.2 mo 1.5 m).
• El espacio entre columnas en la fachada, para adaptarse a la envoltura externa (generalmente de 5,4 ma 7,5 m).
• El uso previsto del espacio interno.
• Los requisitos para la distribución de servicios de construcción.

Para las oficinas con ventilación natural, generalmente se usa un ancho de edificio de 12 ma 15 m, que se puede lograr con dos tramos de 6 ma 7,5 m, con una columna colocada junto a un corredor central. La iluminación natural también juega un papel en la elección del ancho de la placa del piso. En edificios más grandes, una solución de largo alcance proporciona una mejora considerable en la flexibilidad de diseño. Para oficinas con aire acondicionado, a menudo se utiliza un espacio libre de 15 ma 18 m.

La altura de piso a piso será una consideración importante en la etapa de diseño del concepto. La siguiente tabla muestra las alturas típicas de piso a piso para edificios de diferentes usos.

Si las restricciones de planificación limitan la altura general del edificio, se pueden adoptar soluciones de piso poco profundo o soluciones que impliquen integrar los servicios dentro de la profundidad estructural. Las profundidades estructurales típicas para diferentes tipos de construcción se dan en la tabla a continuación.

Sistemas de estabilidad

El sistema estructural requerido para la estabilidad está influenciado principalmente por la altura del edificio. Para edificios de hasta ocho pisos de altura, la estructura de acero por sí sola puede estar diseñada para proporcionar estabilidad, pero para edificios más altos, los núcleos de hormigón o acero reforzado son estructuralmente más eficientes. Los siguientes sistemas estructurales pueden considerarse para la estabilidad.

Núcleo de acero reforzado

Marcos arriostrados

Para edificios de hasta ocho pisos de altura, los marcos de acero reforzados se usan comúnmente con miembros de refuerzo generalmente ubicados dentro de una cavidad en la fachada, o alrededor de escaleras u otras zonas de servicio.

Un marco reforzado de acero tiene tres ventajas clave :

• Una solución arriostrada es menos costosa que un marco continuo.
• La responsabilidad de la estabilidad temporal recae en una organización.
• Tan pronto como se conectan los arriostramientos de acero, la estructura es estable.

Marcos continuos

Para edificios de hasta cuatro pisos de altura, se pueden usar marcos continuos en los que las conexiones de viga múltiple a columna proporcionan resistencia a la flexión y rigidez para resistir cargas horizontales. Esto generalmente solo es posible donde las vigas son relativamente profundas (400 mm a 500 mm) y donde el tamaño de la columna se incrementa para resistir los momentos aplicados. Es probable que las conexiones entre los miembros sean más caras que las de los marcos arriostrados .

Diseño típico de vigas alrededor de un núcleo de hormigón

Núcleos de hormigón o acero

Los núcleos de hormigón son el sistema más práctico para edificios de hasta 40 pisos de altura, con el núcleo de hormigón generalmente construido antes del marco de acero. En esta forma de construcción, las vigas a menudo se extienden directamente entre las columnas en el perímetro del edificio y el núcleo de hormigón. Se requieren consideraciones especiales de diseño estructural para :

• Las conexiones de la viga al núcleo de hormigón.
• Seguridad contra incendios y robustez de la construcción de larga duración.

Los núcleos de acero reforzado pueden usarse como una alternativa económica donde la velocidad de construcción es crítica. Dichos núcleos se instalan con el resto del paquete de acero.

Columnas

Las columnas en marcos de acero de varios pisos son generalmente secciones en H , predominantemente con carga axial. Cuando la estabilidad de la estructura es proporcionada por núcleos, o por un arriostramiento vertical discreto, las vigas generalmente se diseñan como simplemente soportadas. El modelo de diseño generalmente aceptado es que las conexiones fijadas nominalmente producen momentos nominales en la columna, calculados suponiendo que la reacción del haz es de 100 mm desde la cara de la columna.

Para facilitar la construcción , las columnas generalmente se erigen en secciones de dos o, a veces, de tres pisos, es decir, de aproximadamente 8 ma 12 m de longitud. Las secciones de columna se unen con empalmes , típicamente de 300 mm a 600 mm sobre el nivel del piso.

Sistemas de piso

Se encuentra disponible una amplia gama de soluciones para pisos. Aunque las soluciones de acero son apropiadas para tramos cortos (típicamente de 6m a 9m), el acero tiene una ventaja importante sobre otros materiales en que se pueden proporcionar fácilmente soluciones de largo alcance (entre 12 m y 18 m). Esto tiene la ventaja clave del espacio libre de columnas, lo que permite una adaptabilidad futura y menos bases.

Los pisos que se extienden sobre las vigas de acero normalmente serán unidades de concreto prefabricado o pisos compuestos . Las vigas de soporte pueden estar debajo del piso, con el piso apoyado en la brida superior (a menudo conocida como vigas "hacia abajo"), o las vigas pueden compartir la misma zona con la construcción del piso, para reducir la profundidad total de la zona. La zona de construcción disponible es a menudo el factor determinante al elegir una solución de piso.

Las vigas de largo alcance han ganado popularidad en el sector de la construcción comercial porque ofrecen los siguientes beneficios en diseño y construcción :

• Se eliminan las columnas internas, lo que lleva a un uso más flexible y eficiente del espacio interno.
• Los servicios pueden integrarse dentro de la profundidad de la estructura, por lo que no se aumenta la profundidad de piso a piso.
• Se requieren menos componentes (generalmente 30% menos vigas), lo que reduce el tiempo de construcción e instalación.
• Los costos de protección contra incendios se pueden reducir debido a la masividad (peso: perfil expuesto) de los miembros del tramo más largo.
• Los costos de acero no aumentan significativamente, a pesar de los tramos más largos..

Cimientos

En el centro de la ciudad y en sitios difíciles o abandonados, el tiempo y el costo de construir los cimientos tiene un efecto importante en la viabilidad de un proyecto. Aunque el peso del marco es relativamente pequeño en comparación con los pisos y las paredes, un marco de acero puede ser significativamente más liviano que un marco de concreto reforzado comparable. Se pueden lograr reducciones adicionales de peso mediante el uso de una construcción de piso liviano, como pisos de cubierta de metal compuesto y concreto liviano.

Las condiciones difíciles del suelo pueden dictar la cuadrícula de la columna. Se pueden requerir tramos largos para salvar las obstrucciones en el suelo. En términos más generales, las columnas ampliamente espaciadas reducen el número de cimientos, simplificando la construcción de la subestructura y reduciendo el costo.

Integración de servicios de construcción.

Servicios integrados con una viga celular en Bogotá, Colombia

Las ejecuciones de servicio pueden integrarse dentro de la profundidad de la estructura o separarse fijándolas en un nivel inferior. La separación de zonas generalmente requiere confinar los ductos, tuberías y cables a un plano horizontal debajo de la estructura, lo que aumentará la construcción general del piso. Sin embargo, los servicios siguen siendo fácilmente accesibles para mantenimiento y reacondicionamiento futuro.

La integración de servicios y estructura reduce la profundidad de construcción pero requiere una estructura perforada; La instalación y posterior reacondicionamiento de los servicios puede ser más difícil.

Sobre externo

Los sistemas de revestimiento que se utilizan en edificios de varios pisos dependen de la altura del edificio y del grado de fenestración. Las fachadas totalmente acristaladas se utilizan ampliamente, aunque generalmente se debe prever la protección solar. Los sistemas de revestimiento incluyen :

Enladrillado

Terreno soportado hasta 3 pisos. Soportado por ángulos de acero inoxidable unidos a vigas de borde para edificios más altos.

Sistemas de acristalamiento

Generalmente, acristalamientos triples o fachadas de doble capa soportadas en postes de aluminio o aletas de vidrio.

Muro o cortina

Aluminio u otra fachada liviana que está unida a la carpintería perimetral.

Revestimiento o baldosas aisladas

Sistema de revestimiento soportado en paredes de relleno de acero ligero, utilizado principalmente en edificios del sector público y edificios residenciales. La piel externa de un edificio de varios pisos generalmente se apoya fuera del marco estructural. En la mayoría de los edificios comerciales de alta calidad, el costo de los sistemas de revestimiento externo excede en gran medida el costo de la estructura primaria. Esto influye en el diseño y la construcción del sistema estructural de las siguientes maneras :

• Reducir la zona del piso puede ser rentable ya que reduce el área de revestimiento.
• La estructura perimetral debe proporcionar una plataforma satisfactoria para soportar el sistema de revestimiento y ser lo suficientemente rígida para cumplir con los criterios de desviación.

Principios estructurales

Una vez que se ha corregido el concepto estructural, se puede completar el diseño estructural. El proceso de diseño estructural implica los siguientes pasos :

• Calcular las acciones permanentes y determinar las acciones variables.
• Identificar las rutas de carga que llevan las acciones aplicadas (vertical y horizontal) a los cimientos.
• Seleccionar tamaños preliminares para miembros.
• Análisis de la estructura , si es necesario, para determinar los efectos del diseño en miembros individuales y desviaciones.
• Análisis de la estructura para evaluar la sensibilidad a los efectos de segundo orden , permitiendo estos si es necesario.
• Verificación de los miembros asegurando que la resistencia del diseño exceda los efectos del diseño.
• Verificación de los miembros y el marco, asegurando que las desviaciones no excedan los límites establecidos en el Estándar de diseño o los especificados por el Cliente.

Acciones variables

Las acciones variables características incluyen :

• Cargas de piso impuestas.
• Cargas impuestas en techos.
• Acciones de viento.
• Cargas de nieve.
• Acciones sobre estructuras expuestas al fuego.
• Acciones durante la ejecución de edificios (por ejemplo, durante el hormigonado de losas y vigas compuestas).
• Acciones accidentales (utilizadas cuando se considera el requisito para evitar un colapso desproporcionado ).

Modelo de un edificio construido con vigas celulares

Análisis

Para la 'construcción simple', el análisis del marco no será necesario en el estado límite último (ULS), ya que los miembros pueden diseñarse de forma aislada. Puede ser necesario (o conveniente) usar un software de análisis para determinar las desviaciones laterales en el estado límite de servicio (SLS) y al evaluar la estabilidad del marco. Se requerirá análisis para marcos continuos.

En general, se utiliza el análisis elástico. El análisis plástico (y el análisis plástico elástico) generalmente solo se utiliza para el diseño de marcos de portal. Aunque se pueden utilizar métodos de análisis manuales, la mayoría de los diseñadores consideran conveniente utilizar software fácilmente disponible.

Miembros de modelado

La mayoría del software contiene bibliotecas de todas las secciones de acero estándar , con las propiedades de miembro asociadas utilizadas en el análisis. Los miembros no estándar se pueden modelar con propiedades de sección equivalentes. Los miembros cónicos o embrujados pueden modelarse con una serie de elementos cortos, cada uno con diferentes propiedades de sección. Los miembros curvos pueden modelarse con una serie de miembros rectos.

Modelado de articulaciones

La práctica común es suponer que las juntas están nominalmente fijadas (y modeladas como perfectamente fijadas) o nominalmente rígidas (y modeladas como perfectamente rígidas). Es importante asegurarse de que los detalles físicos se correspondan con los supuestos del diseño.

Sensibilidad a los efectos de segundo orden

Todos los cuadros experimentan efectos de segundo orden, típicamente porque bajo cargas laterales (o simplemente debido a imperfecciones del cuadro), las cargas verticales ya no son concéntricas con las bases. El efecto de este desplazamiento no se tiene en cuenta en un análisis de primer orden. Algunos cuadros son lo suficientemente rígidos como para que los efectos de segundo orden sean lo suficientemente pequeños como para ser ignorados. Cuando se deben tener en cuenta los efectos de segundo orden, esto se puede lograr mediante el análisis de segundo orden o mediante un simple amplificador de las cargas laterales.

Se debe evaluar la sensibilidad de todos los fotogramas a los efectos de segundo orden , y estos efectos deben permitirse si es necesario.

Sistemas estructurales comunes

Los marcos de construcción pueden clasificarse en términos generales por su sistema de estabilidad, como marcos arriostrados o continuos. Un marco de portal es un tipo particular de marco continuo. Para los marcos de varios pisos, es probable que un marco arriostrado sea más económico, porque el esfuerzo de fabricación para las juntas en marcos arriostrados es generalmente mucho menor que para las juntas en marcos continuos. Se deben usar marcos continuos cuando no se pueden proporcionar arriostramientos dentro de la estructura.

Dentro de ambos tipos de marco, hay disponible una amplia gama de sistemas de piso . Varios sistemas de piso utilizan los beneficios de la construcción compuesta , que será la solución de facto para muchas estructuras. Los sistemas de piso de uso común se describen brevemente en las siguientes secciones.

Construcción compuesta

Plataforma trapezoidal en vigas de acero

La construcción compuesta es la forma dominante de construcción para el sector de la construcción de varios pisos. Su éxito se debe a la resistencia y rigidez que se puede lograr, con un uso mínimo de materiales, utilizando la resistencia a la compresión del hormigón y la resistencia a la tracción del acero. Los pisos compuestos ofrecen ventajas significativas relacionadas con la velocidad de construcción y la reducción de la profundidad total de la construcción.

Las losas de piso compuesto generalmente usan plataformas de acero perfiladas relativamente poco profundas , que generalmente abarcan hasta 3.75 m, o sistemas de cubierta profunda, que abarcan hasta 9 m (si se apoyan durante la construcción). Las losas de piso compuestas también pueden construirse usando tablones prefabricados como el encofrado permanente.

Las losas de piso se pueden formar a partir de tablones prefabricados, pero aún así permiten que la viga de soporte se diseñe como un miembro compuesto.

Las vigas compuestas implican la transferencia de fuerza entre la sección de acero y el concreto que soporta, evitando el deslizamiento y asegurando así que los dos elementos funcionen como un todo compuesto. Para las vigas ubicadas totalmente debajo de la losa (conocidas como vigas "hacia abajo" ), la transferencia de fuerza se logra comúnmente utilizando espárragos de corte de cabeza, que están unidos a la brida superior de la viga de acero. Los pernos generalmente se sueldan en el sitio, a través de la plataforma, a la brida superior (sin pintar) de la viga. Alternativamente, los conectores de corte más pequeños pueden dispararse a la viga de acero. En algunas formas de construcción, la unión de corte entre el miembro de acero y el hormigón envolvente es suficiente para proporcionar una acción compuesta sin conectores de corte adicionales.

Existen diferentes tipos de vigas compuestas disponibles :

• Vigas hacia abajo : la viga de acero está completamente debajo de la losa de hormigón.

• Soluciones de piso poco profundo : la viga de acero está al menos parcialmente integrada dentro de la profundidad de la losa del piso.

Tipos de vigas compuestas

Viga convenciona descendente

Viga integrada con cubierta profunda

Losas de piso de concreto prefabricadas en un marco de acero

Unidades prefabricadas de hormigón

Las unidades de hormigón prefabricadas se pueden usar junto con vigas de acero. Las unidades pueden ser sólidas o de núcleo hueco, y con extremos cónicos o bluff. Normalmente están pretensados. Las vigas de acero y las unidades prefabricadas pueden diseñarse como un miembro compuesto, siempre que se cumplan las normas de detalle específicas para garantizar el comportamiento compuesto necesario.

Sistema de piso poco profundo

Soluciones integrales de piso

Los pisos integrados (o 'poco profundos') ofrecen una variedad de beneficios, que incluyen una profundidad de construcción reducida (en comparación con una solución ortodoxa "de abajo") y, en algunas soluciones, un sofito prácticamente plano, que permite la fácil ubicación de los servicios.

Se encuentran disponibles varias soluciones integradas de piso, que incluyen una gama de opciones laminadas y fabricadas que proporcionan miembros de poca profundidad con bridas inferiores anchas, de modo que se pueden colocar tablones prefabricados o plataformas de acero en la brida inferior.

Vigas de largo alcance

Los tramos largos dan como resultado espacios internos flexibles, sin columnas, costos de subestructura reducidos y tiempos de montaje reducidos. Esta amplia gama de beneficios significa que se usan comúnmente en una amplia gama de tipos de edificios.

Las opciones de haz de largo alcance incluyen :

• Vigas compuestas con red de aberturas
• Vigas compuestas celulares
• Vigas cónicas

Armaduras

Cerchas de techo de gran envergadura. The Emirates Stadium, Arsenal Football Club.

Una armadura es esencialmente un sistema triangulado de rectas interconectadas con elementos estructurales. El uso más común de cerchas es en edificios, donde se proporciona fácilmente soporte para techos, pisos y cargas internas, como servicios y techos suspendidos. Las armaduras se usan comúnmente en una variedad de edificios, incluidas las terminales de aeropuertos, perchas de aviones, techos de estadios deportivos, auditorios y otros edificios de ocio . Las armaduras también se utilizan para proporcionar grandes espacios libres de columnas en edificios comerciales. Las principales razones para usar armaduras son :

• Para abarcar grandes distancias.
• Para proporcionar una solución ligera.
• Para controlar la desviación.
• Para soportar cargas pesadas.

Las armaduras pueden quedar expuestas dentro de la estructura y fabricarse a partir de secciones huecas para un atractivo estético. Las cargas grandes pueden requerir el uso de secciones abiertas o secciones construidas a partir de placa. En todos los casos, los costos de fabricación adicionales hacen que las armaduras sean más caras que las estructuras de viga y columna convencionales.

Componentes principales de una edificación de marco de portal

Marcos de portal

Los marcos de portal son estructuras de poca altura, que comprenden columnas y vigas, conectadas por conexiones resistentes al momento . La resistencia a las acciones laterales y verticales es proporcionada por la rigidez de las conexiones y la rigidez a la flexión de los miembros, que se incrementa con un anzuelo sustancial para reforzar las secciones de la viga. Esta forma de marco continuo es estable en su plano y proporciona un tramo claro que no está obstruido por los arriostramientos. El refuerzo se proporciona en la dirección longitudinal, entre bastidores.

Edificio de almacén de distribución de una sola planta con marco de acero y revestimiento de acero

Los marcos de portal son estructuralmente eficientes y livianos, y representan más del 90% del mercado de una sola planta en el Reino Unido. Los marcos de portal se utilizan para aplicaciones industriales, de almacenamiento , minoristas y comerciales.

Además de una estructura de acero primaria, los edificios con un marco de portal también incluyen comúnmente :

• Miembros secundarios de acero laminado en frío de calibre delgado (correas y rieles laterales) que sujetan los miembros primarios de acero y sostienen el revestimiento.
• Revestimiento de paredes y techos de acero perfilado.

Conexiones

El costo de las conexiones es una proporción significativa del costo total de la estructura y se recomienda el uso de detalles estandarizados y simples siempre que sea posible. Sin duda, las conexiones resistentes al momento serán más caras que las conexiones fijadas nominalmente utilizadas en la construcción con refuerzo.

Conexiones simples

Las conexiones simples son conexiones nominalmente fijadas que transmiten solo cizalladura final y no transfieren momentos significativos. Esta suposición apuntala el diseño de marcos arriostrados de varios pisos en el Reino Unido, en el que las vigas están diseñadas como de soporte simple y las columnas están diseñadas para carga axial y los pequeños momentos de flexión nominales inducidos por las reacciones finales de las vigas.

Conexiones fijadas nominalmente
Conexiones de placa final	Conexiones de placa de aleta

Las conexiones simples incluyen :

• Conexiones de viga a viga y viga a columna utilizando :
• Placas finales de profundidad parcial.
• Placas finales de profundidad completa.
• Placas de aleta.
• Empalmes de columna (placas de cubierta atornilladas y placas finales).
• Bases de columnas.

Conexiones resistentes al momento

Las conexiones resistentes al momento se utilizan en tramas continuas . Es muy probable que las conexiones en marcos de varios pisos sean conexiones de placa final de profundidad completa y conexiones de placa final extendidas. Las conexiones en los marcos del portal se colocarán en los aleros, a menudo con refuerzos en el miembro de la columna. La conexión del ápice puede tener un pequeño embocadura o una placa final simple extendida.

Las conexiones resistentes al momento también se pueden proporcionar proporcionando una conexión soldada entre los miembros.

Conexiones de trama de portal típicas
Conexión de aleros	Conexión de apéndice

Robustez estructural

Los reglamentos de construcción requieren que todos los edificios se diseñen para evitar un colapso desproporcionado . Comúnmente, esto se logra diseñando las uniones en un marco de acero (las conexiones de viga a columna y los empalmes de columna ) para las fuerzas de unión.

Se proporcionan dos tipos genéricos de estrategia para diseñar estructuras robustas para acciones accidentales :

1. Estrategias basadas en acciones accidentales identificadas.
2. Estrategias basadas en acciones accidentales no identificadas.

Los requisitos de robustez se relacionan con la clase de construcción (el tipo, tamaño y uso de un edificio) y establecen los niveles requeridos de robustez para las diferentes clases de construcción.

Especificación de estructuras metálicas

El propósito de una especificación de estructuras metálicas es establecer qué materiales y productos se deben usar y cómo se debe realizar el trabajo ( fabricación y montaje ), a fin de garantizar que la estructura completa cumpla con los supuestos del diseñador y las necesidades del cliente. La fabricación y el montaje deben cumplir con la norma de ejecución que cubre la especificación de materiales, especificación de componentes, mano de obra y tolerancias.