1.1 Elementos Estructurales

ELEMENTOS ELEMENTOS ESTRUCTURALESESTRUCTURALES

ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS METALICAS.METALICAS.


Modelización estructuralModelización estructural



Toda estructura podría ser analizada como sólido deformable 3D. Siendo Toda estructura podría ser analizada como sólido deformable 3D. Siendo inviable la resolución analítica, se podría alcanzar la precisión matemática que inviable la resolución analítica, se podría alcanzar la precisión matemática que se desee recurriendo a MEF y elementos 3D.se desee recurriendo a MEF y elementos 3D.

Coste muy elevado y, en cualquier caso su calidad como procedimiento de Coste muy elevado y, en cualquier caso su calidad como procedimiento de dimensionado para el cumplimiento de unas exigencias vendría condicionada / dimensionado para el cumplimiento de unas exigencias vendría condicionada / limitada por:limitada por:

- la bondad de los valores adoptados para variables geométricas y de - la bondad de los valores adoptados para variables geométricas y de material.material.

- la adecuada caracterización del terreno y de las uniones.- la adecuada caracterización del terreno y de las uniones.

- la consideración de efectos de segundo orden y su acertada modelización.- la consideración de efectos de segundo orden y su acertada modelización.

- la exactitud en la determinación de las acciones. - la exactitud en la determinación de las acciones.

Modelización estructuralModelización estructural



En análisis estructural se suele:En análisis estructural se suele:

- analizar la estructura como un conjunto de elementos ligados.- analizar la estructura como un conjunto de elementos ligados.

- modelizar el comportamiento de los elementos que forman la estructura.- modelizar el comportamiento de los elementos que forman la estructura.

- despreciar efectos de segundo orden cuando no son relevantes. - despreciar efectos de segundo orden cuando no son relevantes.

- idealizar el comportamiento del material y la geometría de los elementos.- idealizar el comportamiento del material y la geometría de los elementos.

- verificar cumplimiento de exigencias por coeficientes parciales desde - verificar cumplimiento de exigencias por coeficientes parciales desde valores de cálculo/caract. de variables.valores de cálculo/caract. de variables.

Deberán emplearse los métodos / herramientas de cálculo más adecuados al Deberán emplearse los métodos / herramientas de cálculo más adecuados al modelo estructural y de comportamiento considerados.modelo estructural y de comportamiento considerados.



Los Los elementos linealeselementos lineales (barras articuladas, vigas y cables) se caracterizan (barras articuladas, vigas y cables) se caracterizan por tener una dimensión muy superior a las otras dos.por tener una dimensión muy superior a las otras dos.

Mediante los modelos de comportamiento de resistencia de materiales el Mediante los modelos de comportamiento de resistencia de materiales el estudio de las tensiones y deformaciones sobre un dominio 3D se reduce al estudio de las tensiones y deformaciones sobre un dominio 3D se reduce al simple estudio de esfuerzos internos referidos al eje de baricentros (modelo simple estudio de esfuerzos internos referidos al eje de baricentros (modelo unidimensional).unidimensional).

Para este tipo de elementos se suelen asumir las hipótesis de Bernouilli-Navier Para este tipo de elementos se suelen asumir las hipótesis de Bernouilli-Navier (flexión) y Saint-Venant (torsión).(flexión) y Saint-Venant (torsión).

En cálculos estructurales se ha recurrido, y se sigue haciendo para modelos En cálculos estructurales se ha recurrido, y se sigue haciendo para modelos parciales, a rigidez infinita a axil. parciales, a rigidez infinita a axil.

Modelización de elementos.Modelización de elementos.



Los Los elementos superficialeselementos superficiales (placas, láminas y membranas) se caracterizan (placas, láminas y membranas) se caracterizan por tener una magnitud mucho menor que las otras dos.por tener una magnitud mucho menor que las otras dos. El estudio de las tensiones y deformaciones sobre un dominio 3D se reduce al El estudio de las tensiones y deformaciones sobre un dominio 3D se reduce al estudio de esfuerzos internos referidos a la superficie media. (modelo estudio de esfuerzos internos referidos a la superficie media. (modelo bidimensional).bidimensional).

Para este tipo de elementos se suelen asumir:Para este tipo de elementos se suelen asumir:- Las hipótesis de Kirchhoff para placas delgadas. (Equiv. a las de Bernouilli-- Las hipótesis de Kirchhoff para placas delgadas. (Equiv. a las de Bernouilli-Navier). Navier). - La Teoría de Reissner-Mindlin para placas más gruesas (Def. por cortante - La Teoría de Reissner-Mindlin para placas más gruesas (Def. por cortante relevantes).relevantes).- Las hipótesis de Kirchhoff-Love para membranas.- Las hipótesis de Kirchhoff-Love para membranas.

La modelización de este tipo de elementos se suele realizar mediante La modelización de este tipo de elementos se suele realizar mediante emparrillados o desde el MEF. emparrillados o desde el MEF.




Los Los elementos macizos o 3Delementos macizos o 3D se caracterizan por la semejanza entre sus se caracterizan por la semejanza entre sus dimensiones.dimensiones.

El estudio de las tensiones y deformaciones sobre un dominio 3D se suele El estudio de las tensiones y deformaciones sobre un dominio 3D se suele realizar desde la teoría de elasticidad. (modelo tridimensional salvo para realizar desde la teoría de elasticidad. (modelo tridimensional salvo para situaciones de simetría o con condiciones de contorno muy concretas).situaciones de simetría o con condiciones de contorno muy concretas).

La modelización de este tipo de elementos se suele realizar desde el MEF. La modelización de este tipo de elementos se suele realizar desde el MEF.




Una clasificación muy simple de elementos estructurales en base a su Una clasificación muy simple de elementos estructurales en base a su dimensión, geometría y esfuerzos dominantes es recogida en la tabla inferior:dimensión, geometría y esfuerzos dominantes es recogida en la tabla inferior:

Tipología de elementos Tipología de elementos estructurales.estructurales.

Unidimensionales Bidimensionales Tridimensionales

rectos curvos rectos curvos ___

Flexión dominante

viga recta, dintel

viga balcón,arco

Placa, forjado,losa, marquesina

Lámina, cúpula

Tracción dominante

Cable estirado,barra articulada.

Catenaria Membrana elástica

Compresión dominante

Pilar, barra articulada Muro de carga, muro de contención

Cuña

Veamos algunos ejemplos de sistemas estructurales Veamos algunos ejemplos de sistemas estructurales ejecutados sobre diversos materiales constructivos y en ejecutados sobre diversos materiales constructivos y en los que se empleen estos tipos de elementos para resolver los que se empleen estos tipos de elementos para resolver el problema de salvar una vano soportando cargas el problema de salvar una vano soportando cargas transversales. transversales.



El primer tipo de elemento lineal, la viga, la presentaremos en distintas El primer tipo de elemento lineal, la viga, la presentaremos en distintas modadlidades: viga simple, viga continua, viga en celosía y cercha. Las modadlidades: viga simple, viga continua, viga en celosía y cercha. Las diferencias entre ellas consisten en la continuidad del alma y el número de diferencias entre ellas consisten en la continuidad del alma y el número de apoyos que la sustentan.apoyos que la sustentan.

La solución inmediata al problema del vano a salvar viene por la La solución inmediata al problema del vano a salvar viene por la viga simpleviga simple, , ya sea con condiciones de contorno de apoyo o de empotramiento. ya sea con condiciones de contorno de apoyo o de empotramiento.

Elementos lineales. VIGA Elementos lineales. VIGA SIMPLE.SIMPLE.



Puentes – viga.Puentes – viga.


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2b/Vallorcine_footpath_bridge_2003-12-13.jpg



Stonehenge, 2000 A.C.Stonehenge, 2000 A.C.




Templo de Zeus,Templo de Zeus, 138 138

A.CA.C Elementos lineales. VIGA Elementos lineales. VIGA

SIMPLE.SIMPLE.



Puente de vigas de acero continuas, Lausanne, SuizaPuente de vigas de acero continuas, Lausanne, Suiza

Elementos Elementos lineales.lineales.



Comparativa entre esfuerzos en viga biapoyada y biempotrada.




La La viga continuaviga continua ofrece unos niveles de aprovechamiento de material muy ofrece unos niveles de aprovechamiento de material muy superiores a la viga apoyada y similares a la empotrada pero salvando sus superiores a la viga apoyada y similares a la empotrada pero salvando sus problemas de ejecución.problemas de ejecución.También en flecha disminuye significativamente sus valores.También en flecha disminuye significativamente sus valores.Ofrece posibilidades adicionales: separación variable entre apoyos y vigas Ofrece posibilidades adicionales: separación variable entre apoyos y vigas Gerber.Gerber.

Elementos lineales. VIGA Elementos lineales. VIGA CONTINUA.CONTINUA.



Puente sobre el río Potomac.Puente sobre el río Potomac.

Elementos lineales. VIGA Elementos lineales. VIGA CONTINUA.CONTINUA.



Una alternativa a la viga simple la ofrece la Una alternativa a la viga simple la ofrece la viga en celosía o la viga viga en celosía o la viga compuestacompuesta. En ellas el brazo de par que participa en el equilibrio interno de . En ellas el brazo de par que participa en el equilibrio interno de momentos flectores aumenta considerablemente dando lugar a menores momentos flectores aumenta considerablemente dando lugar a menores valores de axil sobre cordones principales.valores de axil sobre cordones principales.

Elementos lineales. VIGA EN Elementos lineales. VIGA EN CELOSÍA.CELOSÍA.



Las Las cerchascerchas de cubierta de las estructuras pueden incluirse en el apartado de de cubierta de las estructuras pueden incluirse en el apartado de vigas. Su tipología es realmentevigas. Su tipología es realmente




Puente sobre el Vístula en Polonia, de celosía Warren, reforzada con diagonales y montantes auxiliares para reducir deformaciones.




Puente viga de acero, observa que la mayor sección está en el centro, zona donde el momento flector suele ser mayor.




Otro elemento lineal es el Otro elemento lineal es el cablecable. En ellos el brazo de par que participa en el . En ellos el brazo de par que participa en el equilibrio interno de momentos flectores lo proporciona la propia deformación equilibrio interno de momentos flectores lo proporciona la propia deformación del elemento. La curva que adopta la deformada se denomina funicular y del elemento. La curva que adopta la deformada se denomina funicular y dependiendo del régimen de carga responderá a distintas expresiones dependiendo del régimen de carga responderá a distintas expresiones matemáticas (catenaria, parabólica).matemáticas (catenaria, parabólica).Son elementos sin rigidez a flexión, trabajando exclusivamente a tracción.Son elementos sin rigidez a flexión, trabajando exclusivamente a tracción.

Elementos lineales. Elementos lineales. CABLE.CABLE.



Una aplicación del cable en diseño estructural la constituyen los puentes Una aplicación del cable en diseño estructural la constituyen los puentes colgantes. Las carencias de rigidez del elemento obligan al empleo de tableros colgantes. Las carencias de rigidez del elemento obligan al empleo de tableros rigidizados y, generalmente a un duplicado del conjunto de tirantes.rigidizados y, generalmente a un duplicado del conjunto de tirantes.





Puente de St. Johns (Portland, USA) de 1931. Longitud del vano central: 396 m.





Puente George Washington: (New York, USA) en 1931.Longitud del vano central: 1067 m





Puente Golden Gate: (San Francisco, USA) en 1937. Longitud del vano central: 1280 m .









El El arcoarco es el elemento lineal inverso al cable, suele trabajar básicamente a es el elemento lineal inverso al cable, suele trabajar básicamente a compresión y si su geometría se adapta a la curva funicular trabajará compresión y si su geometría se adapta a la curva funicular trabajará exclusivamente a compresión. exclusivamente a compresión.

Elementos lineales. Elementos lineales. ARCOARCO



Uno de los principales problemas que encontramos en bien en materiales que Uno de los principales problemas que encontramos en bien en materiales que no pueden trabajar a flexión o en diseños en los que queremos restringir estos no pueden trabajar a flexión o en diseños en los que queremos restringir estos esfuerzos o los desplazamientos horizontales, es el equilibrado de los empujes esfuerzos o los desplazamientos horizontales, es el equilibrado de los empujes horizontales. horizontales.




El Acueducto de Segovia.




La Mezquita de Córdoba.




Los arcos se clasifican según las restricciones de los apoyos en:Biempotrados, biarticulados, triarticulados.




Puente de Coalbrookdale, 1779




Puente arco de hormigón, con tablero superior: Puente de Krk, (Croacia), 1980. Longitud del vano: 390 m.




Puente de arco en acero de sección simple con tablero intermedio. Puente sobre el lago Roosevelt, Arizona (USA). 1991 Longitud del vano: 329 m.





http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Causey_Arch.jpg



Placas.

Elementos superficiales. Elementos superficiales. PLACAS.PLACAS.



Cúpula.

Elementos superficiales. Elementos superficiales. CÚPULAS.CÚPULAS.

http://www.greatbuildings.com/cgi-bin/gbi.cgi/St_Peters_of_Rome.html/cid_aj1592_b.html



Entramados espaciales.

Elementos superficiales. Elementos superficiales. ENTRAMADOS ESPACIALES.ENTRAMADOS ESPACIALES.



Entramados espaciales.

Elementos superficiales. Elementos superficiales. ENTRAMADOS ESPACIALES.ENTRAMADOS ESPACIALES.



Láminas y láminas cilíndricas.

Elementos superficiales. Elementos superficiales. LÁMINAS.LÁMINAS.



Láminas.




Láminas.




Membranas.

Elementos superficiales. Elementos superficiales. MEMBRANAS.MEMBRANAS.

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