Baixe Calculo estructural e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! TEORÍA DE ESTRUCTURAS CALCULO ESTRUCTURAL, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA PARTE -I- AUTOR: JAVIER PAJÓN PERMUY ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN. 1 2.- CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES MATERIALES EMPLEADOS EN CONSTRUCCIÓN. 2.1.-GENERALIDADES. 2.2.-LEY DE HOOKE Y COEFICIENTE DE POISSON. 2 2.3.-EL ACERO. 4 2.3.1.- Ensayo de tracción. 7 2.4.-EL HORMIGÓN. 8 2.4.1.- Colocación del hormigón. 11 2.4.2.- Compactación del hormigón. 12 2.4.3.- Curado. 2.4.4.- Armaduras: tipos y usos. 13 2.5.-LA MADERA. 15 3.- NORMATIVA GENERAL. 17 4.- PROCESO DE DISEÑO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL. 18 TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 3 l l E Recordemos que : P = fuerza extensora. l = longitud de la barra. S = Sección de la barra. J = alargamiento unitario ) = tensión normal. E = módulo de elasticidad. TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 4 2.3.- EL ACERO. Según la Norma UNE 36-004: El acero es un producto férreo generalmente apto para la conformación en caliente. Con excepción de ciertos aceros de alto contenido en cromo, el contenido en carbono es igual o inferior al 2%, límite que los separa de las fundiciones. En esta misma Norma se establece la clasificación de los aceros atendiendo a dos conceptos: - Composición química: - Aceros no aleados. - Aceros aleados. - Criterios de utilización: - Aceros de base. - Aceros de calidad. - Aceros especiales. Los aceros que se emplean en la construcción metálica son aceros no aleados, generalmente conformados en caliente por laminación. Actualmente los aceros utilizados en estructuras metálicas de edificación sonde las clase A37, A42 y A52, regulados por las vigentes NBE-MV, que se corresponden con los definidos en la Norma UNE 36-080-73 que ha evolucionado hasta la actual UNE 36 080-85. En la siguiente tabla se establece la evolución de los aceros n EVOLUCIÓN DE LOS PRINCIPALES ACEROS NORMALIZADOS NORMA TIPOS UNE 36-080-73 A 37b, c, d A 42b, c, d A 44b, c, d A 52b, c , d UNE 36-080-85 AE 235-B, -C, -D No los contempla AE 275-B, -C, -D AE 355-B, -C , -D No obstante, razones económicas determinan el que la mayoría de los países sólo dispongan de un único tipo de acero en sus stocks comerciales, empleándose este de forma mayoritaria y dejando el resto de ellos para condiciones especiales de pedido. Este tipo de acero será el A 44b (AE 275-B) de límite elástico garantizado 275 Mpa (2750 kp/cm2) y de condiciones de soldabilidad ordinarias. Si el espesor de los elementos fabricados con este acero supera los 16 mm. sin pasar de los 40 mm., el límite elástico garantizado desciende a 265 Mpa (2650 kp/cm2). Las características y condiciones de suministro y recepción de los productos laminados en caliente vienen recogidas en la Norma Básica de la Edificación MV-102. Las series actualmente mas utilizadas se indican en la sigui TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 5 SERIES DE PRODUCTOS LAMINADOS SERIE Notación (en forma de ejemplo) Perfil IPN Perfil IPE Perfil HEB Perfil HEA Perfil HEM IPN IPE HEB HEA HEM 300 200 120 180 240 Perfil UPN Perfil L Perfil LD Perfil T UPN L LD T 180 40.4 120.80.8 50.6 Redondo Cuadrado Rectangular Chapa W g g g 10 12 30.5 2000.6.8000 Mientras no se alcance oficialmente la normalización total en Europa, en España el acero ordinario disponible para nuestras construcciones metálicas, empleado también exclusivamente en la fabricación de perfiles huecos para estructuras, según la Norma Básica NBE-MV 108, es el acero A 42b, de límite elástico garantizado 260 Mpa (2600 kp/cm2) para elementos de espesor menor o igual a los 16 mm. y de 250 Mpa (2500 kp/cm2) si el espesor varía de 16 a 40 mm., con tendencia decreciente a medida que aumenta el espesor. SERIES DE PERFILES HUECOS SERIE Notación (en forma de ejemplo) Perfil Hueco Redondo Perfil Hueco Cuadrado Perfil Hueco Rectangular W g g 100.4 80.3 160.120.5 Curiosamente el acero que se emplea en los perfiles conformados en frío es el A 37b, estos perfiles vienen definidos en la Norma Básica NBE-MV 109, siendo las series actualmente utilizadas las siguientes. SERIES DE PERFILES CONFORMADOS SERIE Notación (en forma de ejemplo) Perfil Conformado L Perfil Conformado LD Perfil Conformado U Perfil Conformado C Perfil Conformado Omega Perfil Conformado Z LF LF UF CF OF ZF 50.2 60.30.3 100.3 120.2,5 40.2 180.2 Normalmente las construcciones habituales podrán resolverse en general con los aceros mencionados, dado que el estado último de servicio de la estructura suele ser el fijado por las deformaciones y no por los estados tensionales; no obstante, para aquellos casos donde predominen esfuerzos anormalmente elevados que den lugar a tensiones muy fuertes, TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 8 Nuevos incrementos de carga por encima de )E definen la tensión )F -límite de fluencia- para la que las deformaciones aumentan bajo carga prácticamente constante. En este período al desaparecer la carga, queda la probeta con una deformación permanente. Tras haber alcanzado el límite de fluencia )F sucede como si el material adquiriese nueva resistencia, pudiéndose incrementar la carga hasta alcanzar la tensión un valor máximo )R, valor que prácticamente define la tensión de rotura y hasta el cual los alargamientos se reparten uniformemente, ya que, para nuevos incrementos de carga los alargamientos de la probeta se concentran en una zona muy reducida en la que se presenta simultáneamente una fuerte estricción o contracción transversal. Durante el proceso de estricción la carga disminuye considerablemente, alcanzándose la rotura de la probeta para una tensión )U inferior a )R, puesto que las tensiones se deducen en función de la sección inicial de la probeta, de no ser así la tensión )U será superior a )R. La mayor o menor cuantía de )R diferencia las distintas calidades de acero. En las estructuras metálicas se considera que quedan fuera de servicio cuando en alguna sección se alcanzan tensiones iguales a )F; dado que el límite de proporcionalidad, )P, es aproximadamente igual a 0,8 )F las tensiones ) que se presentan bajo las cargas de servicio -fuerzas a las que realmente ha de estar sometida la estructura- son inferiores a )P, por lo que el comportamiento del acero es prácticamente elástico. 2.4.- EL HORMIGÓN. El hormigón está formado por una mezcla de cemento con arena y grava, amasado con agua, mezcla que fragua y adquiere solidez. La dosificación del hormigón utilizado en construcción así como su elaboración, puesta en obra, docilidad (determinada valorando su consistencia), juntas, curado (fraguado en determinadas condiciones de humedad, temperatura, etc...), desencofrado, y demás características cumplirán las Instrucciones Españolas EH y EP (EH-91 y EP-80 en la actualidad). La resistencia del hormigón depende como puede suponerse principalmente de la mezcla que se haga y las condiciones de fraguado, no debiendo de ser la resistencia de proyecto fck (art. 10.5, 26.1 de EH) inferior, en hormigones en masa y armado, a 125 kp/cm2. Los cementos son conglomerantes hidráulicos, esto es, materiales de naturaleza inorgánica y mineral, que finamente molidos y convenientemente amasados con agua forman pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones de hidratación de sus constituyentes, dando lugar a productos hidratados mecánicamente resistentes y estables, tanto en el aire como bajo agua. Los cementos están reglamentados según el pliego RC-93 y UNE 80.301/93, Los tipos y clases se recogen en el siguiente cuadro: CEMENTOS Denominación Designación Tipo Clase TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 9 Portland I-O y I 35, 35A, 45, 45A, 55 y 55A Portland compuesto II 35, 35A, 45, 45A Portland con escoria II-S 35, 35A, 45, 45A Portland con puzolana II-Z 35, 35A, 45, 45A Portland con ceniza volante II-C 35, 35A, 45, 45A Portland con QfillerR calizo II-F 35, 35A, 45, 45A Horno alto III-1 y III-2 25, 35, 35A, 45, 45A Puzolánico IV 25, 35, 35A, 45, 45A Mixto V 25, 35 Aluminoso VI 55 Los morteros de cemento empleados como revestimientos son mezclas de cemento, arena y agua, veamos los tipos mas usados. MORTEROS DE CEMENTO TIPOS CEMENTO Kg ARENA m3 AGUA m3 1/4 350 1,030 0,260 1/6 250 1,100 0,255 TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 10 Volviendo al hormigón, veamos algunos valores orientativos de la dosificación de hormigones: Resistencia Característica en Obra (Kp/cm2) Consistencia adecuada para vibrar Consistencia adecuada para picar con barra Cemento Agua Arena Grava Cemento Agua Arena Grava Tamaño máximo del árido: 20 mm. CEMENTO CATEGORÍA 35 ARIDO RODADO 150 330 180 650 1.300 375 205 615 1.230 175 365 180 640 1.280 - - - - ARIDO MACHACADO 150 270 200 650 1.300 305 225 620 1.240 175 300 200 645 1.290 335 225 610 1.220 Resistencia Característica en Obra (Kp/cm2) Consistencia adecuada para vibrar Consistencia adecuada para picar con barra Cemento Agua Arena Grava Cemento Agua Arena Grava Tamaño máximo del arido: 40 mm. CEMENTO CATEGORÍA 35 ARIDO RODADO 150 290 160 680 1.360 335 185 645 1.290 175 325 160 670 1.340 375 185 635 1.270 ARIDO MACHACADO 150 245 180 675 1.350 280 205 645 1.290 175 270 180 670 1.340 305 205 635 1.270 2.4.1.- Colocación del hormigón. La operación más importante durante el proceso de ejecución de un elemento, es la vertido y colocación del hormigón. Un buen proceso de colocación debe evitar que se produzca la segregación y conseguir que la masa llene perfectamente todas las esquinas del encofrado y recubra bien las armaduras. Para garantizar el cumplimiento de estos requisitos se deberán observar los siguientes puntos: - No depositar toda la masa en un punto confiando que por sí misma irá escurriendo y llenando el encofrado. Con ello se evita la segregación del agua y el árido fino. - Evitar un exceso de compactado de la masa. Con ello se evita la segregación del árido grueso, que el caso de los hormigones normales se depositaría en el fondo del encofrado y en el caso de hormigones ligeros ascendería a la superficie. TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 13 Las barras corrugadas se designan y clasifican según el siguiente cuadro: CARACTERÍSTICAS DE LAS BARRAS CORRUGADAS Designación Clase de acero Límite elástico Color de marcas AEH 400N Dureza natural 4100 Kp/cm2 Amarillo AEH 400F Estirado en frío 4100 Kp/cm2 AEH 500N Dureza natural 5100 Kp/cm2 Rojo AEH 500F Estirado en frío 5100 Kp/cm2 AEH 600N Dureza natural 6100 Kp/cm2 Azul AEH 600F Estirado en frío 6100 Kp/cm2 Las barras actas para soldeo, según Art. 71.5 de la EH vigente, se indicarán precediendo la letra S a la designación que corresponda. Desde principios del año 89, sólo se fabrican en nuestro país barras corrugadas soldables según la norma UNE 36.068 que es una adaptación, casi transcripción, de la EURONORMA 80-85. Esta norma establece dos tipos de materiales de límites elásticos diferentes, de valores mínimos 400 y 500 N/mm2 respectivamente. Estos tipos de material se identifican por tener una geometría diferente, es decir, el dibujo que forman las corrugas es diferente para permitir a simple vista su identificación y diferenciación, veamos esta nueva clasificación. CARACTERÍSTICAS DE LAS BARRAS CORRUGADAS ACTUALES Designación Límite elástico Identificación de Tipo Numérica Simbólica F 6150 AEH 400 S 400 Mpa F 6151 AEH 500 S 500 Mpa Además el material lleva identificado, mediante un código de corrugas engrosadas, quién es el fabricante y cuál el país de origen, cuando procede de un país europeo que toma las EURONORMAS como referencia. Estas corrugas engrosadas van situadas en la fila de corrugas con mayor separación, en el caso del tipo AEH 400S y en la fila de corrugas con la misma TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 14 inclinación en el tipo AEH 500S. Este código tiene tres partes: - Una primera que indica por donde debe empezarse la lectura. Una corruga normal entre dos engrosadas, aunque determinados países indican este principio de lectura mediante dos corrugas engrosadas juntas. - Una segunda que indica el país donde se ha fabricado el material. CÓDIGOS DE LOS PAÍSES EUROPEOS FABRICANTES Alemania Bélgica Holanda Luxemburgo Francia Italia Inglaterra Irlanda Dinamarca Suecia Noruega Finlandia España Portugal Grecia Turquía 1 2 3 4 5 6 7 8 - Una tercera que indica quién ha sido el fabricante. CÓDIGOS DE LOS FABRICANTES ESPAÑOLES Siderurgia Sevillana S.A. Compañía Española de Laminación CELSA Marcial UCIN S.A. ENSIDESA AZMA S.A. Esteban Orbegozo S.A. Metalúrgica Galaica S.A. NERVACERO S.A. 4 5 7 8 11 14 17 18 Veamos unos ejemplos que nos muestren lo indicado: TEORÍA DE ESTRUCTURAS, CONSTRUCCIÓN Y NORMATIVA. -Autor: J.P.P. 15 2.5.- LA MADERA. La madera es un material esencialmente heterogéneo al estar formado por tejidos de fibras de naturaleza muy diversa, cuya constitución varía con la función biológica que desempeñan. Debido a la forma particular de crecimiento, las propiedades son muy diferentes según se determinen en el sentido de las fibras longitudinales o normalmente a ellas, acrecentando todavía estas diferencias la existencia de nudos. A la inversa de lo que acontece con los hormigones y piedras naturales, la resistencia a la tracción de las maderas es muy superior a la compresión. Solicitación para la que las fibras pandean lateralmente formando planos de deslizamiento, inclinados de 40 a 60 respecto a la fuerza de compresión, como se aprecia en la figura. El grado de humedad influye decisivamente en la capacidad de resistencia; disminuyendo a medida que se incrementa, hasta alcanzar el punto de saturación de las fibras: 30 % para las coníferas. El tiempo de aplicación de las cargas influye en las deformaciones y resistencia de las maderas. Así, bajo cargas estáticas prolongadas, la resistencia obtenida respecto a los ensayos rápidos disminuye en las coníferas al 60% y en las frondosas al 77%. CLASES COMPRESIÓN Kp/cm2 FLEXIÓN Kp/cm2 TRACCIÓN Kp/cm2 CORTADURA Kp/cm2 MODULO DE ELASTICIDAD Kp/cm2 DUREZA Paralelo a las fibras Normal a las fibras Paralelo a las fibras Normal a las fibras Paralelo a las fibras Normal a las fibras Abedul 500 - - 1.000 - - - - Algo Dura Abeto 410 70 800 890 22 14 30 144.000 Blanda Flandes 350 - 720 700 - - - 100.000 Bastante dura Fresno 630 - 1.200 1.200 34 - - 120.000 Blanda Haya 460 110 900 1.300 32 15 40 85.000 Muy Dura Nogal 470 - 1.000 900 30 - 65 - Algo Dura Olmo 470 - 1.100 1.000 32 - 70 97.000 Bastante Dura Pino silvestre 400 85 800 900 22 7 30 150.000 Blanda Roble 450 150 600 1.000 34 16 75 105.000 Bastante Dura La madera que fue un material tradicionalmente empleado en la construcción con funciones resistentes se ve desplazada en este campo en los comienzos de siglo actual, primero por el acero y posteriormente por el hormigón, materiales hechos por el hombre y sobre los que este puede intervenir en su proceso de fabricación para mejorar sus características resistentes. Paralelamente con el desarrollo tecnológico de estos dos materiales existe un cierto abandono en el estudio de la