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SEEA0120
ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA
Sistemas y Elementos Estructurales
Bloque 3
SISTEMAS Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES
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El presente material recopila una serie de definiciones, explicaciones, ejemplos y ejercicios prácticos de autores especializados que te ayudarán a comprender los temas principales de este bloque.
Las marcas empleadas en la antología son única y exclusivamente de carácter educativo y de investigación, sin fines lucrativos ni comerciales.
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SISTEMAS Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Estructuras de mampostería
4. Estructuras de mampostería
La mampostería estructural está formada por “bloques de concreto u otros materiales que conforman sistemas monolíticos que pueden resistir cargas de gravedad, sismo y viento” (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2020).
Figura 1. Elementos que conforman la mampostería estructural
Fuente: Asociación Colombiana de Productores de Concreto (2020).
Como la mampostería estructural está compuesta por elementos con diversas propiedades y compor-tamiento, es necesario realizar pruebas que determinen su resistencia y durabilidad, tal como señala Rodríguez (2015):
Además, la realización de este trabajo contribuirá a la evaluación de las ventajas y desventajas que presenta este sistema constructivo haciendo énfasis en la fase de diseño, por lo cual, se incluirán y tendrán en cuenta todos los factores que hacen sensible la fase de diseño del sistema (p. 13).
Muros de mampostería
Unidades de perforación vertical
Unidades de concreto o de otros materiales
Mortero de pega Convencional o premezclado
Refuerzo del muro Mortero de
inyecciónMezclado mecánico en obra o en planta
Refuerzo del muro
Vertical (celdas); horizontal (juntas), conectores (intersecciones)
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En el siguiente Cuadro podrás encontrar la descripción de su proceso de construcción.
Cuadro 1. Proceso constructivo
Los bloques se pegan con un mortero en capas de 1 cm de espesor, el cual puede variar aproximadamente en 4 mm. Los bloques se colocan en traba para que de este modo se pueda tener un comportamiento apropiado al terminar las piezas entrelazadas.
1. Preparación del terreno
� Retirar materiales no apropiados, realizar limpieza del área de trabajo. � Realizar drenajes tanto interiores como laterales para evitar el empozamiento. � Realizar las respectivas excavaciones para la ubicación de instalaciones y mallas. � Vaciar concreto pobre o de limpieza para las vigas de cimentación.
2. Los refuerzos estructurales se deben ubicar de forma tal que queden previamente embebidos en la cimentación.
3. Al construir la cimentación se deben dejar los hierros de arranque que van por las celdas verticales de los bloques estructurales.
4. Se puede proceder a instalar la primera hilada, verificando las dimensiones de los vanos de las puertas. Los ladrillos en donde se encuentran los refuerzos de acero estructural deben tener una caja para conformar la ventana de limpieza de esa cavidad cuando se termine de levantar el muro.
5. Para ubicar las hiladas de forma sucesiva se pueden marcar los niveles en boquilleras para asegurar que se construyen de forma nivelada a las pegas. La distribución debe considerar espacios que permitan colocar piezas enteras en altura. Esto es de gran importancia cuando se desea dejar los ladrillos a la vista.
6. Se van colocando los ladrillos de forma sucesiva teniendo en cuenta que queden nivelados y aplomados. Para esto se emplean hilos en los niveles descritos anteriormente junto con la boquillera y plomada. Se debe controlar el espesor del mortero de pega disponiendo de forma correcta los refuerzos horizontales correspondientes.
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7. En las celdas verticales de los ladrillos se van disponiendo las instalaciones de servicios eléctricos, de agua, sanitarias, etc.
8. Al momento de alcanzar la altura deseada del muro se debe limpiar la celda. Se puede utilizar la misma varilla que va de refuerzo en esa celda y por la ventana que se dejó en la primera hilada se extrae el material suelto por la limpieza.
9. Seguido a esto y la instalación del refuerzo correspondiente, se humedece la celda y ésta se rellena con mortero fluido. Por lo general sobre los muros de mampostería se apoya un una placa de entrepiso o el de una cubierta, Para el primer caso se cuidará que el refuerzo se prolongue en una longitud que considera el espesor de la placa de entrepiso, o viga de ésta, y el traslapo del muro siguiente. Cuando el remate es una placa de cubierta el refuerzo de la celda rematará con un gancho para anclarse en la placa de cubierta o viga de remate del muro.
10. Después de rellenar las celdas se arma y funde la placa de entrepiso o de cubierta o las vigas de remate del muro si es el caso. Esta placa le da rigidez a los muros y complementa el sistema estructural.
Elaborado a partir de Asociación Colombiana de Productores de Concreto (2020).
4.1 Cargas muertas
Las estructuras están compuestas por diferentes tipos de carga, las cuales deben tomarse en cuenta en el diseño y los cálculos posteriores, con esto se asegura la estabilidad estructural bajo cualquier factor que las pueda afectar. Entre estas cargas se consideran a las cargas muertas, las cuales se definen como “los pesos de todos los elementos constructivos, de los acabados y de todos los elementos que ocupan una posición permanente y tienen un peso que no cambia sustancialmente con el tiempo” (Normas Téc-nicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones, s.f.).
Para la evaluación de las cargas muertas se usarán dimensiones específicas en los elementos de cons-trucción, así como de los diferentes pesos unitarios de los materiales usados. De esta manera, se ana-lizan los valores mínimos de las cargas probables cuando éstos afecten la estabilidad de la estructura en casos de volteo, flotación, lastre y succión producida por viento; en los otros casos se utilizarán datos máximos que sean probables (Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones, s.f.).
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Figura 1. Cargas muertas
Fuente: Consul Steel (2013).
4.2. Peso propio
Otra de las cargas a considerar en las estructuras es la del peso propio, ya que es la que sustentará a las demás. De acuerdo con Flores (2008), dichas cargas se pueden definir de la siguiente manera: “Son aquellas que permanecen fijas o permanentes durante la vida útil de la estructura, generalmente lo conforman el peso propio de la estructura, tabiques, acabados, equipo y maquinaria, con el carácter de estacionarios” (p. 1).
El mismo autor establece que para el prediseño se obtienen algunos datos que tienen relación con obras que ya han sido construidas. Cabe destacar que este tipo de cargas las componen generalmente vigas, losa y los diagramas que constituyen la carga muerta permanente; adicionalmente también se tienen aceras, postes, pasamanos, capa de tuberías, cables y demás servicios públicos.
Figura 2. Peso propio de una viga
Fuente: Flores (2008).
Cargas permanentesCargas accidentales
Peso propio de la viga
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4.3. Acabados
Los acabados se encuentran entre los pesos semipermanentes que tienen las estructuras, por ello es importante tomarlos en cuenta para el diseño. Sobre los acabados los podemos decir lo siguiente:
Se conoce como acabados, revestimientos o recubrimientos a todos aquellos materiales que se colocan sobre una superficie de obra negra. Es decir son los materiales finales que se colocan sobre pisos, muros, plafones, azoteas, obras exteriores o en huecos y vanos de una (IPN, 2008, p. 6).
Estos elementos constituyen el recubrimiento de los sistemas estructurales y los materiales con que fueron construidos. Proporcionan una apariencia agradable a un determinado espacio y poseen una misión funcional brindando belleza, confort y estética. En función del diseño y los espacios, se procede a seleccionar los diferentes materiales que van a influir en el presupuesto y en el diseño estructural.
Asimismo, los acabados se pueden clasificar dependiendo de los materiales a utilizar en la construcción y según el tipo de acabado que se desee; sin embargo, los más empleados son el barro, cemento (tejas), mármol y cuarzo (incrustaciones), piedra artificial, pastas acrílicas y pinturas en distintos colores (Her-nández, s.f.).
De la misma manera, Hernández (s.f.) señala otros revestimientos como interior y exterior, los primeros incluyen muros de diferentes grosores y texturas, y los exteriores consideran más lo estético, por lo que la protección de la estructura juega un papel fundamental aquí.
4.4. Instalaciones
Las edificaciones, cuando se terminan de proyectar, necesitan varios tipos de sistemas para su óptimo funcionamiento, entre éstos encontramos las instalaciones que, en el caso de una vivienda, incluyen “todos los sistemas de distribución y recogida de energía o de fluidos que forman parte de la edificación, la mayoría de las instalaciones de una vivienda se estructuran muy parecido” (Acosta, s. f., p. 1).
Entre los tipos de instalaciones que se pueden encontrar en las edificaciones, las instalaciones eléctricas son las encargadas de la distribución de la energía en todo el edificio.
Por su parte, las instalaciones de agua se establecen de acuerdo con las necesidades de los seres humanos (captación, almacenaje y la red de distribución); dichas aguas, después de ser usadas, se ubican como aguas servidas. Por su parte, es necesario tener y diseñar las acometidas de la red de alcantarillado, ya que son las que recogen todas las aguas negras de la edificación. A esto se suma la calefacción que es el mantenimiento de una temperatura adecuada para proporcionar confort en el interior de la vivienda, especialmente para climas con temperaturas muy bajas. Otro tipo de energía que se debe incluir en las edificaciones es el sistema de distribución de gas, así como la telefonía y el internet (Acosta, s.f., p. 1).
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Figura 3. Instalaciones en edificios
Fuente: Acosta (s.f.).
4.5. Carga viva máxima de acuerdo con las normas técnicas complementarias vigentes
Las cargas máximas se deben tener en consideración ante la aplicación de las cargas vivas, y de acuerdo con las normas técnicas complementarias sobre criterios y acciones para el diseño estructural de las edificaciones, la carga máxima (Wm) se debe usar en diseño estructural por fuerzas gravitatorias donde se calculen asentamientos inmediatos en suelos, así como en el diseño estructural de los cimientos ante cargas gravitacionales. De la misma manera, la carga instantánea (Wa) se tiene que usar en los diseños sísmicos y por viento, cuando se deban revisar las distribuciones de carga desfavorables que representan la suma de todas las cargas repartidas en los elementos.
En el caso de que la carga viva sea favorable para la estabilidad de la estructura (como es el caso de los problemas de flotación y succión por viento), su intensidad se considerará nula sobre toda el área.
4.6. Pre-dimensionamiento de losas, vigas y muros
Para la realización de un proyecto arquitectónico se deben tener en cuenta los elementos estructurales para jugar con la forma que se desee diseñar. Esto es un proceso de análisis bajo la lógica estructural de dichos elementos, desde una idea inicial hasta llegar a la que finalizará el proyecto. En este sentido, los elementos estructurales no son definitivos y se van optimizando a medida que el proyecto avance.
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Cuando se inicia el proceso de pre-dimensionamiento se debe empezar por tener en cuenta cuál es la principal carga de peso, por ello se deben definir primero las dimensiones, y es hasta entonces cuando se presenta la dualidad entre el arquitecto que diseña y el ingeniero que calcula los elementos. Debido a esto, es necesario que exista una idea aproximada sobre los elementos estructurales para que no cambien mucho a la hora de finalizar la propuesta. Al respecto, Souza (2018) señala lo siguiente:
Con el objetivo de resolver este impasse, se desarrollaron procesos expeditos de pre-dimensionamiento de las estructuras que, aunque no presentan resultados exactos, se acercan mucho a ellos. Evidentemente, es necesario realizar cálculos estructurales posteriores con todo el cuidado y la exactitud exigidos por las normas técnicas, pero, al menos, el pre-dimensionamiento entrega un punto de partida para que el proyecto sea efectuado.
Por ejemplo, para las losas, en el caso de las luces, se deduce que la longitud a1, y ancho a2 se van de-terminando cuando se establezca su perímetro, y la única información que no se conocerá es la altura. En primera instancia, cuando las losas son macizas se divide su luz menor por 40, evitando alturas inferiores a 7 cm en losas para pisos comunes, y 12 cm para aquellas que deban soportar tránsito. En el caso de las losas prefabricadas, se puede tener una idea inicial dividiendo la luz menor por 20.
Para el caso de las columnas y para iniciar a pre-dimensionar, es necesario considerar la esbeltez y la carga que soportan. Ante esto los elementos que deban soportar mucha carga o que sean muy largos necesitan secciones mayores, por este motivo se puede utilizar la siguiente expresión Ag=18*P, en donde se establecen los siguientes valores:
Ag= área de la columna en c2
P= Carga axial en toneladas
Y para cargas sometidas simultáneamente a esfuerzos con compresión y flexión (en columnas laterales) se emplea la siguiente expresión: Ag=43*P. En ambos casos la denominación “P” se calcula en función del peso que va a llevar la edificación por área.
4.7. Áreas tributarias
Las áreas tributarias se pueden considerar como la distribución de los valores de las cargas para que sean repartidas en toda la estructura mediante las losas y columnas. Al respecto, Rodas (2014) las define así: “Podemos definir al área tributaria como la comprendida entre las líneas paralelas a los ejes y coincidentes con la mitad de la luz de los tramos adyacentes. La carga (kg/ml) en una viga se obtendrá multiplicando la carga unitaria, por el valor de la semiluz adyacente o la suma de las semiluces adyacentes, según se trate de tramos exteriores o interiores” (p. 44).
El autor también señala que para iniciar las áreas tributarias se deben obtener valores razonables para pre-dimensionar que cumplan las condiciones siguientes: las luces deben ser aproximadamente iguales
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y no deben diferir más de 20% en tramos adyacentes; los tramos son interiores, y en los exteriores pueden tener una diferencia de hasta 20; se pueden estimar las cargas mediante el aumento de esa magnitud para la reacción del primer apoyo.
Se debe tener en cuenta que las cargas del área tributaria deben ser uniformes, también los soportes deben ser simplemente apoyados y con luces simples.
Los valores razonables para prediseño pueden obtenerse si se cumplen las siguientes condiciones:
� Los valores razonables para pre-diseño pueden obtenerse si se cumplen las siguientes condiciones: � Las luces son aproximadamente iguales (no difieren en más del 20% entre tramos adyacentes). � Los tramos son interiores. � En tramos exteriores, la diferencia puede llegar al 20%; es posible estimar la carga mediante una
mayoración de esa magnitud para la reacción del primer apoyo interior.
En la Figura 4 abajo se puede visualizar la distribución de las áreas tributarias.
Figura 4. Reacciones de áreas tributarias-nudos rígidos
Fuente: Rodas (2014, p. 44).
4.8. Distribución de cargas concentradas en muros
Las construcciones de muros usualmente cumplen dos responsabilidades: la principal es la de resistir las cargas por medio de los elementos estructurales que se apoyan en ellas; en segundo lugar, encontra-mos la de separar o delimitar espacios. Sin embargo, la primera es clave en este tema, y por esta razón se debe respetar el orden constructivo que considera: “excavación de cimentaciones, construcción de cimentación corrida, construcción de paredes de planta baja, construcción de pisos de primera planta
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alta, construcción de paredes de planta alta, y así sucesivamente” (Rodas, 2014, p. 33).
Con esto hay que considerar que desde la cubierta existen muchas cargas que son acumulables y se dis-tribuyen hasta los cimientos. Se debe tomar en cuenta las siguientes determinantes a la hora de diseñar muros como elementos estructurales:
11. Menor altura por menor resistencia del material.12. Incluir vanos en ventanas pequeñas, ya que los grandes dañan elementos de soporte.13. Menor separación de paredes para minimizar cargas.14. Buen comportamiento sísmico con estructuras de mampostería armada. 15. Mano de obra fácil, y no especializada.
Hay que tener en cuenta en los diseños para los pesos que este tipo de materiales de mampostería tie-ne un grado de incertidumbre alto, ya que las piezas de los diferentes materiales van a depender de la materia prima utilizada y de sus grados de fabricación, más aún cuando los procesos son artesanales; es ahí donde reside la la diferencia con el hormigón, ya que éste ha tenido un grado de control de calidad elevado (Rodas, 2014, p. 30).
Figura 5. Cargas en muros de mampostería
Fuente: Farah (s.f., p. 70).
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4.9. Bajada de cargas
Este proceso ocurre cuando una estructura recoge, canaliza y desvía las cargas que resultan de las fuer-zas internas y externas hacia las cimentaciones. Al respecto, Romero (2010) menciona que “se requiere la bajada de cargas de la estructura a la cimentación por lo que una vez que se cuente con ellas se podrá determinar la capacidad del asentamiento incluido por la carga de la estructura” (p. 200). En otras pala-bras, este proceso detalla cómo en las estructuras se captan las diferentes cargas y se canalizan para desviarlas hacia los cimientos.
Dichas estructuras comienzan desde los miembros superiores, como son las cubiertas, y de ahí se des-plazan hacia los miembros inferiores, lo que se denomina también descenso de cargas, flujo de cargas, o transmisión de cargas. Al respecto, Moreno (s.f.) señala lo siguiente:
El objetivo de este proceso es establecer un valor de cargas sobre el terreno que nos permite calcular las dimensiones de la cimentación para cada tramo. Aunque también con base en este procedimiento podemos diseñar lo que es; vigas, columnas y muros de carga (p. 1).
Entre los procesos de bajada de cargas se deben definir pasos, entre los cuales se encuentra la iden-tificación de losas como las perimetrales, cuando existe una relación del claro corto y el largo, ésta no debe ser mayor a 1.5 m. Otro tipo de losa se concibe en un solo sentido y se presenta cuando existe una relación de claros que da más que 1.5 m.; esto significa que las cargas bajan por los dos lados de la losa (Moreno, s.f., p. 1).
El mismo autor establece que la bajada de las cargas se debe analizar a detalle en los proyectos, teniendo en cuenta los diferentes materiales, los pesos de los volúmenes de los elementos, los tipos de cargas que se van a bajar para determinar las dimensiones de cada elemento, y así poder establecer las cimen-taciones con ayuda del análisis geotécnico.
Para el proceso definitivo de la bajada de las cargas, Moreno (s.f.) menciona lo siguiente:
Aquí simplemente multiplica el área tributaria de cada lado de las lasas, por la carga por metro cuadrado ob-teniendo en el análisis de áreas y lo que te salga de multiplicar lo divide entre la longitud del tramo analizado, obteniendo así, la carga total que recibe cada trabe o viga que delimita las losas” (p. 1).
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Figura 6. Bajada de cargas
Fuente: Moreno (s.f., p. 3).
4.10. Cimentación corrida de piedra braza
Las cimentaciones tienen como objeto la transmisión de cargas de las estructuras hacia el suelo. Al res-pecto, García y Lucas (2018) mencionan los siguiente:
La cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las cargas al terreno, éste es el único elemento que no podemos elegir, por lo que la cimentación la realizaremos en función del mismo. Por otro lado, el terreno no se encuentra todo a la misma profundidad, otra circunstancia que influye en la elección de la cimentación adecuada (p. 3).
Ante esto, el propósito de las cimentaciones consiste en soportar las estructuras, de manera que se pueda garantizar la estabilidad y evitar daños estructurales. Asimismo, se considera que dentro de las cimentaciones están las corridas, que son un tipo de cimentación de hormigón armado que se debe hacer con una profundidad y dimensiones dependiendo de los tipos de suelos, usándose para transmitir las cargas a través de los muros portantes (García y Lucas, 2018). Sin embargo estas cimentaciones se pueden realizar con piedra braza, estas pueden usarse para estructuras de muros de carga, de apoyos aislados o mixtos, cuando existen tres o cuatro niveles dependiendo de sus características y condiciones de diseño, y generalmente se utilizan en edificios con claros de 5 m entre muros, con una altura total de 12 m, encontrándose en varios países de Latinoamérica como México, Perú, Colombia. A pesar de sus beneficios, emplear piedra braza es más costoso y más pesado, ya que este material es:
[...] el más empleado por su fácil manejo y resistencia al desgaste. No son muy necesarios el castillo y la cadena. Este material se clasifica en piedra limpia (40/40); revuelta, de diferentes tamaños, y china, como recubrimiento (Flores y Guerrero, 2005, p. 40).
Losa azoteaLosa azotea
Carga sobre suelo
Cimiento (zapata)
Losa entrepisoLosa entrepiso
Columna
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Los mismos autores mencionan que esta piedra es la más usada y se utiliza con una plantilla de concreto f’c=150 kg/m2, que debe mojarse antes del proceso. En dicho proceso las piedras más grandes se ubican en la parte inferior, y con la ayuda de un mortero se procede a juntarlas con una proporción de 6:1. Se debe tener en cuenta que no deben quedar huecos, de manera que se forme un ángulo de reposo, que no debe ser menor de 60 grados y con una corona de 30 cm.
Figura 7. Cimentación con piedra braza
Fuente: De la Garza (1998, p. 28).
Contratrabe o cadena de liga
Cimiento corrido
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REFERENCIAS
Acosta, V. (s.f.). Instalaciones en viviendas. Recuperado de
Asociación Colombiana de Productores de Concreto. (2020). Mampostería estructural: el qué y el cómo. Recuperado de
Consul Steel. (2013). Construcción con acero liviano: 1.5 conceptos generales sobre cargas. Recuperado de
Flores, M. y Guerrero, M. (2005). Materiales y procedimientos constructivos I. Recuperado de
García, M. y Moreira. R. (2018). Importancia de las cimentaciones y el estudio del suelo para estructuras construidas en la ciudad de Manta en la zona norte de Tarquí, Ecuador. Recuperado de
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REFERENCIAS
Rodríguez, O. (2015). Análisis y conceptos básicos para el diseño de mampostería estructural según la norma de sismoresistencia NRS-10. Recuperado de
