PORTICOS

Son estructuras cuyo comportamiento está gobernado por la flexión. Están conformados por la unión rígida de vigas y columnas. Es una de las formas más populares en la construcción de estructuras de concreto reforzado y acero estructural para edificaciones de vivienda multifamiliar u oficinas; en nuestro medio había sido tradicional la construcción en concreto reforzado, pero después de 1991 se hacen cada vez más populares las estructuras aporticadas construidas con perfiles estructurales importados, desde países como Venezuela, Brasil, Ecuador, Japón y Polonia. La gran estandarización y control de calidad que ha obtenido la industria del acero en el mundo, hace indiferente para el diseño, el origen geográfico del perfil estructural, primando el menor costo. En épocas de superproducción de acero a  nivel mundial, como la actual, éste aumenta aún más sus ventajas competitivas sobre materiales tradicionales en nuestro medio como el concreto reforzado.

Los pórticos tienen su origen en el primitivo conjunto de la columna y el dintel de piedra usado por los antiguos, en las construcciones clásicas de los griegos, como en el Partenón y aún más atrás, en los trilitos del conjunto de Stonehenge en Inglaterra (1800 años a.C.). En éstos la flexión solo se presenta en el elemento horizontal (viga) para cargas verticales y en los elementos verticales (columnas) para el caso de fuerzas horizontales (figura 1: (a) y (c)).

Figura 1

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Con la unión rígida de la columna y el dintel (viga) se logra que los dos miembros participen a flexión en el soporte de las cargas (figura 1: (b) y (d)), no solamente verticales, sino horizontales, dándole al conjunto una mayor resistencia, y una mayor rigidez o capacidad de limitar los desplazamientos horizontales. Materiales como el concreto reforzado y el acero estructural facilitaron la construcción de los nudos rígidos que unen la viga y la columna.

La combinación de una serie de marcos rectangulares permite desarrollar el denominado entramado de varios pisos; combinando marcos en dos planos perpendiculares se forman entramados espaciales. Estos sistemas estructurales son muy populares en la construcción, a pesar de que no sean tan eficientes como otras formas, pero permiten aberturas rectangulares útiles para la conformación de espacios funcionales y áreas libres necesarias para muchas actividades humanas (figura 2).

Figura 2: edificio aporticado de concreto reforzado

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TIPOS DE PORTICOS.

Dístilo: Dístilo se denomina al edificio que tiene dos columnas o pilastras en una o más fachadas. Se llama dístilo in antis, cuando dichas columnas están situadas entre dos pilastras que se alzan a ambos lados de la misma.

Tetrástilo: El edificio tetrástilo tiene cuatro columnas en su fachada principal. Era comúnmente empleado por los griegos y los etruscos para pequeñas estructuras de edificios públicos.

Hexástilo: Los edificios hexástilos tenían seis columnas en fachada y eran los pórticos típicos del estilo dórico.

Octástilo: El octástilo tenía ocho columnas. Estos edificios son más raros que los hexástilo en canon clásico griego arquitectónico.

Decástilo: El decástilo tiene diez columnas, como el templo de Apolo Didimeo en Mileto, y el pórtico del University College de Londres.

Dodecástilo: El dodecástilo tiene doce columnas, como del Palacio Borbón, en París.

Pórtico rígido biempotrado: Pórtico rígido conectado a sus apoyos mediante empotramientos.

Pórtico rígido biarticulado: Pórtico rígido que posee dos articulaciones en sus apoyos que le permiten girar y flexionar ligeramente como consecuencia de los esfuerzos producidos por los cambios de temperatura; se trata de una estructura estáticamente indeterminada.

Cirtóstilo: Pórtico curvo, generalmente semicircular, con columnas.

Pórtico simple: Armazón rígido formado por dos columnas y una viga superior.

Anteiglesia: Pórtico situado a la entrada de una iglesia generalmente con una nave y pasillos laterales. 

Pórtico Multivano: Armadura rígida formada por una viga continúa conectada a tres o más columnas.

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Stoa: Pórtico, a menudo exento, que proporciona un lugar de paseo cobijado, en la antigua Grecia.

Arriostramiento diagonal: Sistema de arriostramiento que se emplea para estabilizar lateralmente un marco estructural o pórtico.

Arriostramiento excéntrico: Sistema de arriostramiento en el que existe una combinación de un sistema resistente al momento flector con la rigidez de un pórtico arriostrado.

Pórtico: 1. Armadura diseñada para soportar cargas tanto verticales como laterales transversales a la longitud de una estructura porticada. 2. Porche con carácter monumental, cuya cubierta está soportada por columnas, que conduce a la entrada de un edificio.

Arriostramiento transversal: Sistema de arriostramiento entre los miembros de un pórtico en el que las diagonales se cruzan para estabilizarlo contra las fuerzas laterales. También llamado crucetas, diagonales cruzadas.

Crucetas: Sistema de arriostramiento entre los miembros de un pórtico en el que las diagonales se cruzan para estabilizarlo contra las fuerzas laterales. También llamado arriostramiento transversal, diagonales cruzadas.

Diagonales cruzadas: Sistema de arriostramiento entre los miembros de un pórtico en el que las diagonales se cruzan para estabilizarlo contra las fuerzas laterales. También llamado arriostramiento transversal, crucetas.

Pórtico rígido: Armadura estructural en la que todas las columnas y vigas están unidas rígidamente, sin juntas articuladas y cualquier carga aplicada produce momentos y esfuerzos cortantes; se trata de una estructura estáticamente indeterminada que sólo es rígida en su plano. También llamado sistema porticado resistente al momento flector.

Sistema porticado resistente al momento flector: Armadura estructural en la que todas las columnas y vigas están unidas rígidamente, sin juntas articuladas y cualquier carga aplicada produce momentos y esfuerzos cortantes; se trata de una estructura estáticamente indeterminada que sólo es rígida en su plano. También llamado pórtico rígido.

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Entramado arriostrado: Entramado de un edificio en el que la resistencia a las fuerzas laterales o a la inestabilidad del mismo entramado viene proporcionada por un arriostramiento diagonal u otro tipo de arriostramiento. También llamado estructura de madera arriostrada, pórtico arriostrado.

Estructura de madera arriostrada: Entramado de un edificio en el que la resistencia a las fuerzas laterales o a la inestabilidad del mismo entramado viene proporcionada por un arriostramiento diagonal u otro tipo de arriostramiento. También llamada entramado arriostrado, pórtico arriostrado.

Pórtico arriostrado: Entramado de un edificio en el que la resistencia a las fuerzas laterales o a la inestabilidad del mismo entramado viene proporcionada por un arriostramiento diagonal u otro tipo de arriostramiento. También llamada entramado arriostrado, estructura de madera arriostrada.

SISTEMA DE PORTICOS RESISTENTE A MOMENTOS

Este sistema esta formado por vigas y columnas, conectados entre sí por medio de nodos rígidos, lo cual permite la transferencia de los momentos flectores y las cargas axiales hacia las columnas. La resistencia a las cargas laterales de los pórticos se logra principalmente por la acción de flexión de sus elementos-

Figura 1 _ Edificación con un sistema aporticado

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El comportamiento y eficiencia de un pórtico rígido depende, por ser una estructura hiperestática, de la rigidez relativa de vigas y columnas. Para que el sistema funcione efectivamente como pórtico rígido es fundamental el diseño y detallado de las conexiones para proporcionarle rigidez y capacidad de transmitir momentos.

Ventajas:

Gran libertad en la distribución de los espacios internos del edificio.

Son estructuras muy flexibles que atraen pequeñas solicitaciones sísmicas.

Disipan grandes cantidades de energía gracias a la ductilidad que poseen los elementos y la gran hiperestaticidad del sistema.

Desventajas:

El sistema en general presenta una baja resistencia y rigidez a las cargas laterales.

Su gran flexibilidad permite grandes desplazamientos  lo cual produce daños en los elementos no estructurales.

Es difícil mantener las derivas bajo los requerimientos normativos.

Por su alta flexibilidad, el sistema da lugar a períodos fundamentales largos, lo cual no es recomendable en suelos blandos.

El uso de este sistema estructural está limitado a estructuras bajas o medianas. Ya que a medida que el edificio tenga más pisos, mayores tendrían que ser las dimensiones de las columnas, lo cual puede hacer el proyecto inviable económica y arquitectónicamente.

Económicamente no se puede fijar un límite de altura generalizado para los edificios con sistemas de pórticos rígidos, pero se estima que en zonas poco expuestas a sismos el límite puede estar alrededor de 20 pisos. Y para zonas de alto riesgo sísmico ese límite se tiene que encontrar en alrededor de 10 pisos.

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SISTEMAS PARA EDIFICIOS DE VARIOS PISOS DE ALTURA

A medida que crece la altura de la edificación, mayores son las modificaciones necesarias para resistir las cargas laterales de vientos y sismos. Por lo que para edificios muy altos, el aspecto que gobierna en el sistema estructural es el de resistir las cargas laterales.

En los edificios muy altos, principalmente destinados a oficinas, se requiere de grandes espacios libres, por lo que utilizar un sistema aporticado de concreto requeriría grandes dimensiones de columnas en los pisos inferiores y como los pórticos resistentes a momentos sólo resisten cargas laterales por medio de la flexión de sus elementos, el sistema es poco rígido. El utilizar un sistema de muros, que desde el punto de vista estructural proporcionaría gran rigidez lateral, tiene como limitante la falta de flexibilidad en la distribución del espacio interior del edificio.

Una de las soluciones más sencillas que se puede dar para edificios entre 20 y 30 pisos de altura es el de usar pórticos rigidizados. Este sistema tendrá gran rigidez cuando la relación de altura sobre longitud del muro o del pórtico arriostrado es pequeña. Ya que estos casos el elemento rigidizado absorbe prácticamente todas las cargas laterales y el pórtico queda absorbe únicamente a las fuerzas verticales.

Pero si esta relación es muy alta se presenta un nuevo problema, la interacción entre el muro y el pórtico se vuelve muy compleja, debido a que las deformaciones de cada uno de los sistemas por separados son distintas. Y el muro en vez de colaborar con el sistema aporticado a resistir las cargas laterales, termina originando un incremento en las fuerzas que se deben resistir en el tope de la edificación debido a su comportamiento similar al de una viga en voladizo. Esto hace que las secciones del muro sean muy grandes para lograr rigidizar la estructura de manera efectiva.

Por esto, cuando se habla de edificaciones de una altura de varias decenas de pisos, un procedimiento que aumenta la rigidez considerablemente es el de acoplar dos o más muros por medio de vigas gran altura en ciertos piso, estas vigas tienden a restringir los giros de los muros en cada nivel y los hacen trabajar como una unidad. Estas vigas están sujetas a grandes fuerzas cortantes, por lo que la eficiencia de la estructura depende de la rigidez de la viga de acoplamiento.

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Figura 1 _ Diagrama de momentos cuando se incorporan vigas rigidizantes.

Otra opción de acoplamiento de muros se puede hacer por medio de lo que se denomina un “macro-pórtico” que no es mas que un acoplamiento de dos o más muros por medio de vigas que tiene la altura de todo un entrepiso, lo que hace que los muros en vez de comportarse como voladizos se terminan deformando como pórticos.

 

Figura 2 Macro-Pórtico

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PORTICOS ESTRUCTURALES EN ACERO

- ANÁLISIS ISOSTÁTICO DEL PÓRTICO TRIARTICULADO

Descripción de la estructura a analizar

El pórtico triarticulado como he comentado anteriormente está apoyado sobre cimentación mediante articulaciones, así como los dos semidinteles también están articulados entre sí (ver Figura 1).

Figura 1. Pórtico triarticulado

Los apoyos articulados ideales no son fáciles de llevar a la práctica, ya que es difícil dar seguridad y firmeza a la estructura permitiendo a su vez que los nudos tengan libertad de giro (ver Figuras 2 y 3).

Figura 2. Apoyo articulado (Rótula).

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Figura 3. Apoyo semiarticulado

Las uniones del soporte con el semidintel son rígidas. Esta se consigue ensamblando ambas barras de manera que estas se muevan de manera solidaria cuando se produzcan desplazamientos (ver Figuras 4 y 5).

Figura 4. Unión rígida soporte-semidintel mediante placas atornilladas.

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Figura 5. Unión rígida soporte-semidintel mediante placas soldadas.

En cuanto a las uniones entre semidinteles, la articulación se suele ejecutar con un enlace sin reforzar (sin cartelas rigidizadoras) o soldando a ambas caras de los perfiles unas anillas que conexionen los dinteles pero permitan el giro del nudo (ver Figura 6).

Figura 6. Unión articulada entre semidinteles.

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Una vez descrita la estructura a estudiar, ya podemos comenzar con su análisis.

Hipótesis de carga

El estudio de las acciones será realizado según la Norma de Acciones en la edificación (AE-88), llegando finalmente a unas cargas distribuidas linealmente a lo largo de las barras como se muestra a continuación.

La nomenclatura de las cargas es la siguiente:

q = Cargas gravitatorias (constantes + nieve)

p = Carga de presión de viento lateral sobre cerramiento

s = Carga de succión de viento lateral sobre cerramiento

v1 = Carga de viento en cubierta a barlovento

v2 = Carga de viento en cubierta a sotavento

Cálculo de las reacciones en los apoyos

Una vez conocido el esquema de carga de la estructura ya se pueden calcular las reacciones en los apoyos, YA, YB, XA, XB. En este caso no tenemos momento ya que nos encontramos ante un nudo articulado.

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Para el cálculo de dichas reacciones aplicamos las ecuaciones de la estática, pero antes definiremos los ejes globales y locales del pórtico así como el convenio de signos:

EJES GLOBALES DE LA ESTRUCTURA

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EJES LOCALES DE CADA BARRA

Entonces:

Compruebo XA y XB

Compruebo YA e YB

Obtengo YB

Obtengo YA

Obtengo XA y XB

2.4) Cálculo de las leyes de esfuerzos internos para cada barra

Conocidas las reacciones en la base de los soportes, ya podemos realizar el análisis de las leyes de esfuerzos internos. Para ello haremos los diagramas de cuerpo libre de cada una de las barras del pórtico:

SOPORTE IZQUIERDO SOPORTE DERECHO

M = Momento flector

N = Esfuerzo axial

T = Esfuerzo cortante15

SEMIDINTEL IZQUIERDO SEMIDINTEL DERECHO

ECUACIÓN DE GEOMETRÍA Y VALORES ESTÁTICOS DE LOS PERFILES EN CADA PUNTO DE LOS MISMOS EN FUNCIÓN DEL ÁNGULO DE CORTE

Diseño del perfil de geometría variable. Ángulo de corte

Conocidas las leyes de esfuerzos internos de las diferentes barras de la estructura, el objetivo ahora es encontrar un perfil de sección variable que satisfaga en cada punto las condiciones de tensión a las que debe estar sometida cada barra.

ALZADO

La disposición de los perfiles del pórtico se realizará de manera que el eje fuerte de los mismos (eje x) se someta a las cargas del plano de la estructura que se contemplaron en el apartado 2.2):

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Valores estáticos de alma y de alas en el plano de la estructura

Los valores estáticos de la sección del perfil, irán variando con la longitud de la barra, pero para estudiarlos podemos separar las alas, las cuales serán de dimensiones constantes, y el alma, que en este caso será el único elemento que varíe.

Descripción de los pórticos biarticulados y biempotrados

Una vez realizado el estudio del pórtico triarticulado, he realizado un intento de trasladar los resultados a los pórticos biarticulados y biempotrados, los cuales son más usados en la práctica constructiva debido a que los perfiles resultantes del análisis suelen ser menores. Para comenzar, es necesario describir con detalle las nuevas estructuras que se pretenden analizar.

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El pórtico biarticulado es semejante al triarticulado en el sistema de apoyo de soportes, pero sin embargo, la unión entre semidinteles es un nudo rígido, y no una articulación como en el caso anterior. Esta estructura es hiperestática de grado 1, ya que aparece una reacción adicional de momento en la unión de dinteles que era nulo en la estructura isostática (ver Figura 7).

Este nudo rígido se consigue materializar en la práctica al igual que las uniones soporte-semidintel, bien sea con placas atornilladas o mediante soldadura (ver Figura 8).

Figura 8. Unión rígida entre semidinteles

Por otra parte, el pórtico biempotrado difiere más de los anteriores en cuanto a nudos se refiere. Este no tiene ninguna articulación, sino que consta de nudos rígidos en todas las uniones de barras y los apoyos de pilares se consideran empotramientos perfectos, es decir, el giro del nudo no esta permitido. Por ello ahora tenemos 3 reacciones adicionales, el momento en el nudo superior y los momentos de reacción en los apoyos.

Los empotramientos en la base de las columnas se consiguen poniendo rigidizadores y atornillando fuertemente la placa de asiento y anclaje a cimentación (ver Figura 10).

Figura 10. Apoyo rígido de columna

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Transferencia de resultados del pórtico triarticulado al biarticulado

Inicialmente intente hacer este paso de transferencia a través de los esfuerzos, es decir, una vez conocidas las leyes de esfuerzos para el pórtico isostático, las equivalentes para el biarticulado estarían relacionadas con las anteriores según una ecuación algebraica. Pensé en esto porque al ver los diagramas de axiales, flectores y cortantes se puede apreciar como estos sufren un desplazamiento en horizontal o vertical respecto a la barra, y en el caso de los flectores en soportes, también se dan giros:

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BIBLIOGRAFIA

http://www.construaprende.com

http://www.ingenieracivil.com

http://www.virtual.unal.edu.co

http://www.civil.cicloides.com/cestructurales/2.4/

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