SISTEMAS ESTRUCTURALES

SISTEMAS Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES

OBJETIVO GENERAL DE LA MATERIA DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES: Definir las estructuras de construcción básicas, realizando análisis de vigas y marcos, para el cumplimiento de los requerimientos de edificaciones sometidas a fuerzas por viento o a sismos.

SESIÓN 02.-

Aspectos conceptuales

Bienvenidos a la segunda sesión de Sistemas y Elementos Estructurales. Hoy nos adentraremos en el concepto de estructura y su clasificación según la normatividad vigente, lo cual es esencial para cualquier proyecto arquitectónico o de ingeniería. Además, estudiaremos cómo se clasifican las acciones que afectan a las estructuras, los tipos de apoyo que se usan en el diseño y cómo estos influyen en los grados de libertad. Finalmente, abordaremos conceptos cruciales como las ecuaciones de equilibrio, diagramas de cuerpo libre y las diferentes condiciones de estabilidad estructural.

Esta sesión será densa en información técnica, pero les brindará las bases conceptuales necesarias para comprender los comportamientos estructurales. Es importante que se mantengan atentos a los ejemplos prácticos que discutiremos, ya que estas teorías son fundamentales para el cálculo y análisis de estructuras en el mundo real.

VIDEO SESIÓN 02

Sesión 02

1.1 Concepto de estructura y clasificación de acuerdo con la normatividad vigente

Definición de estructura:
Una estructura es el conjunto de elementos que trabajan en conjunto para soportar cargas y mantener el equilibrio en una edificación o construcción. Estos elementos pueden ser vigas, columnas, cimentaciones y otros componentes que permiten que la estructura resista fuerzas externas e internas. Según Timoshenko, "las estructuras deben diseñarse para soportar los efectos de cargas aplicadas sin fallar ni deformarse en exceso" (p. 32).

Clasificación de las estructuras según la normatividad vigente:
De acuerdo con el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (RCDF), las estructuras se clasifican principalmente en:

Estructuras de concreto armado: Construidas con concreto reforzado con acero.
Estructuras de acero: Compuestas mayormente por acero, que permite gran flexibilidad y resistencia a tracción.
Estructuras mixtas: Combinan concreto armado y acero estructural.
Estructuras ligeras: Usan materiales como aluminio o fibra de vidrio para aplicaciones específicas donde no se requieren grandes resistencias estructurales.

Ejemplo:
En un edificio de oficinas de concreto armado, las vigas y columnas forman un marco rígido que soporta cargas gravitacionales (peso propio del edificio y de los ocupantes) y cargas laterales como viento y sismos.

Referencia:
Timoshenko, S. P. (1953). Theory of Structures. McGraw-Hill.

1.2 Clasificación de las acciones

Las acciones que actúan sobre las estructuras pueden clasificarse según tres criterios importantes:

1.2.1 Por su forma según Newton:
Las fuerzas que actúan sobre las estructuras pueden dividirse en dos grandes categorías:

Fuerzas de contacto: Son las que se generan por el contacto directo entre los objetos, como el peso de una columna sobre una viga.
Fuerzas a distancia: Son aquellas que actúan sin contacto directo, como la gravedad o la fuerza electromagnética.

Ejemplo:
La fuerza de gravedad que actúa sobre un puente es una fuerza a distancia, mientras que el peso de los vehículos que lo atraviesan es una fuerza de contacto.

1.2.2 Por su permanencia:
Las acciones estructurales se clasifican según su permanencia en:

Acciones permanentes: Son aquellas que actúan constantemente sobre la estructura, como el peso propio del edificio.
Acciones variables: Cambian con el tiempo, como las cargas de ocupación o el viento.
Acciones accidentales: Son imprevistas y poco frecuentes, como sismos o explosiones.

Ejemplo:
El peso de los muebles en un edificio es una acción variable, mientras que un sismo es una acción accidental.

1.2.3 Por sus respectivas combinaciones:
Las acciones pueden combinarse de acuerdo con las normas estructurales para determinar las solicitaciones máximas que debe soportar una estructura. Esto implica realizar análisis con combinaciones como cargas permanentes más cargas variables o acciones accidentales.

Ejemplo:
En el diseño de un rascacielos, se combinan cargas permanentes (peso propio del edificio) con cargas variables (viento) y se evalúan las acciones accidentales (sismos).

Referencia:
Boresi, A. P., & Schmidt, R. J. (2003). Advanced Mechanics of Materials. Wiley.

1.3 Tipos de apoyo en el plano

1.3.1 Restricciones:
Los apoyos son elementos que limitan el movimiento de las estructuras. Según el tipo de apoyo, se restringen diferentes grados de libertad:

Apoyo fijo (empotrado): Impide la rotación y traslación en todas las direcciones.
Apoyo articulado: Permite la rotación pero impide la traslación.
Apoyo de rodillo: Permite la rotación y la traslación en una dirección, pero restringe la traslación en la otra.

Ejemplo:
En un puente colgante, los apoyos de las torres principales son empotrados, mientras que los extremos del puente utilizan apoyos de rodillo para permitir pequeños movimientos laterales.

1.3.2 Grados de libertad:
Se refiere a los movimientos que una estructura puede experimentar en el espacio. Un cuerpo en el espacio tiene seis grados de libertad: tres traslaciones (en los ejes X, Y, Z) y tres rotaciones (alrededor de esos ejes).

Ejemplo:
Una viga empotrada en ambos extremos tiene cero grados de libertad, mientras que una viga simplemente apoyada tiene tres grados de libertad (una rotación y dos traslaciones).

Referencia:
Hibbeler, R. C. (2017). Engineering Mechanics: Statics. Pearson.

1.4 Elásticas teóricas

Definición:
Las elásticas teóricas son curvas que describen la deformación de un elemento estructural bajo la aplicación de cargas. Se utilizan para predecir cómo se comportará una estructura cuando se le apliquen fuerzas. Según Beer y Johnston (2012), "el análisis de las elásticas teóricas permite calcular la deformación y desplazamiento de estructuras sujetas a cargas conocidas" (p. 211).

Ejemplo:
En un puente sometido a una carga distribuida, la viga principal puede doblarse, y la curva que describe esta flexión es la elástica teórica de la viga.

Referencia:
Beer, F. P., & Johnston, E. R. (2012). Mechanics of Materials. McGraw-Hill

1.5 Diagramas de cuerpo libre

Definición:
Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica que muestra todas las fuerzas y momentos que actúan sobre un cuerpo. Es esencial para el análisis estructural, ya que permite identificar las fuerzas que deben equilibrarse para que una estructura se mantenga en equilibrio.

Ejemplo:
Al analizar una viga simplemente apoyada, el diagrama de cuerpo libre incluiría las fuerzas de reacción en los apoyos y las cargas aplicadas a lo largo de la viga.

Referencia:
Meriam, J. L., & Kraige, L. G. (2011). Engineering Mechanics: Dynamics. Wiley.

1.6 Ecuaciones de equilibrio

Definición:
Las ecuaciones de equilibrio son fundamentales en la mecánica estructural. Se basan en la primera ley de Newton, que establece que si un cuerpo está en equilibrio, la suma de todas las fuerzas y momentos que actúan sobre él debe ser cero.

Ejemplo:
En el análisis de una viga sometida a una carga puntual, las ecuaciones de equilibrio (sumatoria de fuerzas en X, sumatoria de fuerzas en Y, y sumatoria de momentos) permiten calcular las reacciones en los apoyos.

Referencia:
Hibbeler, R. C. (2017). Engineering Mechanics: Statics. Pearson.

1.7 Convención de signos

Definición:
La convención de signos es un conjunto de reglas que se utilizan para definir si las fuerzas y momentos son positivos o negativos en el análisis estructural. Generalmente, las fuerzas de compresión se consideran negativas, mientras que las de tensión son positivas.

Ejemplo:
Al analizar una columna bajo carga axial, si la columna está en tensión, la fuerza será positiva, mientras que si está en compresión, la fuerza será negativa.

Referencia:
Chopra, A. K. (2012). Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering. Prentice Hall.

1.8 Isostaticidad, hiperestaticidad e inestabilidad

Definiciones:

Isostaticidad: Una estructura isostática es aquella que puede analizarse utilizando únicamente las ecuaciones de equilibrio.
Hiperestaticidad: Las estructuras hiperestáticas tienen más incógnitas que ecuaciones de equilibrio, por lo que requieren métodos adicionales para su análisis.
Inestabilidad: Una estructura es inestable cuando no tiene suficientes restricciones para mantenerse en equilibrio.

Ejemplo:
Un puente colgante es hiperestático, ya que tiene más apoyos de los necesarios para ser isostático, lo que lo hace más resistente a cargas dinámicas.

Referencia:
Wang, C. K. (1986). Statically Indeterminate Structures. McGraw-Hill.

1.9 Principio de superposición de causa y efecto

Definición:
El principio de superposición establece que en sistemas lineales, el efecto combinado de varias cargas es igual a la suma de los efectos individuales de cada carga. Este principio es clave en el análisis estructural, ya que simplifica el cálculo de fuerzas en estructuras complejas.

Ejemplo:
En un edificio que soporta tanto cargas gravitacionales como cargas sísmicas, el efecto total sobre la estructura puede calcularse sumando los efectos individuales de cada carga.

Referencia:
Ugural, A. C., & Fenster, S. K. (2011). Advanced Strength and Applied Elasticity. Pearson.

CONCLUSIONES.

Los conceptos estructurales son fundamentales para el diseño arquitectónico y de ingeniería, y su correcta clasificación es esencial según las normativas vigentes.
La clasificación de las acciones estructurales según su forma, permanencia y combinaciones es crucial para garantizar la estabilidad de una estructura.
Los tipos de apoyo y los grados de libertad son variables determinantes para asegurar el comportamiento adecuado de una estructura bajo carga.
Herramientas como los diagramas de cuerpo libre y las ecuaciones de equilibrio son esenciales para resolver problemas estructurales.
El análisis de isostaticidad, hiperestaticidad e inestabilidad es clave para garantizar que las estructuras sean seguras y eficientes.

ACTIVIDAD ENTREGABLE DE LA SEMANA 02 Y SU RÚBRICA PARA CALIFICAR LAS ACTIVIDADES

INSTRUCCIONES DE LA ACTIVIDAD DE LA SESIÓN 02

Objetivo de la sesión: Los estudiantes trabajarán en equipos para analizar un puente simple utilizando los conceptos vistos en clase (acciones, tipos de apoyo, ecuaciones de equilibrio, etc.). Cada equipo deberá elaborar un diagrama de cuerpo libre, aplicar las ecuaciones de equilibrio para determinar las fuerzas en los apoyos y clasificar el tipo de estructura según su estabilidad (isostática o hiperestática).

Material necesario: Dispositivos con acceso a internet.

Software de modelado estructural básico (pueden usar herramientas gratuitas como AutoCAD o SketchUp).

Pizarras digitales o láminas para presentación.

Tiempo estimado: 90 minutos.

ACTIVIDADES DE FIN DE SEMANA

Elaborar un glosario ilustrado de al menos 20 términos clave relacionados con los conceptos de la Unidad 1. Cada término debe estar acompañado de una ilustración o esquema que lo represente visualmente .

MATERIAL NECESARIO

Dispositivos con acceso a internet.
Herramientas de diseño gráfico o ilustración (pueden usar Canva o PowerPoint).

PARTICIPACIÓN EN EL FORO (Moodle)

Pregunta:
"En una estructura diseñada para soportar vientos fuertes y sismos, ¿cómo combinarías las acciones permanentes, variables y accidentales para asegurar la estabilidad del sistema? Discute cómo las normativas vigentes afectan las decisiones de diseño en este tipo de estructuras."

Instrucciones para el foro:
Cada estudiante debe responder a la pregunta con un análisis basado en las normativas y en los conceptos vistos en clase. Luego, debe comentar y responder a las respuestas de al menos dos compañeros, aportando críticas constructivas o ampliaciones del tema. Las respuestas deben tener al menos 300 palabras.

FIN DE LA

SEMANA 02

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