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INTRODUCCION
Una estructura es un sistema en el cual cada una de sus partes cumple con una función. Estas
partes son los elementos estructurales. El fin de toda estructura es soportar las distintas
combinaciones posibles de cargas y transmitirlas al suelo, esto sin que la estructura falle. Si la
estructura falla, lo que se requiere de ella es que no lo haga abruptamente para que los ocupantes
pueda ponerse a salvo antes que colapse.
Para que cada elemento estructural cumpla con la función que se le requiere, debe poseer ciertas
características geométricas, constructivas y de diseño. Este documento se enfocará en las
propiedades constructivas de los elementos estructurales, específicamente se hablará de las
características del armado y su comportamiento dentro de la estructura.
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OBJETIVOS
El principal objetivo es introducirse en el mundo de las estructuras en concreto, investigar el
comportamiento y las características de la armadura de los distintos elementos estructurales. Todo
esto acompañando la información con una serie de fotografías que den una clara idea gráfica de lo
que se expone.
Además se requiere:
1. Establecer en que puntos de los distintos elementos se concentra la mayor cantidad de
refuerzo y por qué.
2. Definir la función de los estribos y zunchos, y describir las diferencias entre ellos.
3. Identificar cinco características que definen la calidad de un buen armado estructural.
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ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Un elemento estructural es cada una de las partes diferenciadas aunque vinculadas en que puede
ser dividida una estructura a efectos de su diseño. El diseño y comprobación de estos elementos se
hace de acuerdo con los principios de la ingeniería estructural y la resistencia de materiales.
Los elementos estructurales suelen clasificarse en virtud de tres criterios principales:
1. Pos sus dimensiones: unidimensionales (vigas, arcos, pilares, etc.), bidimensionales
(placas, láminas, membranas) o tridimensionales.
2. Por su forma geométrica y/o posición.
3. Por los esfuerzos predominantes: tensión (membranas y cables), compresión (pilares),
flexión (vigas, arcos, placas, láminas) o torsión (ejes de transmisión, etc.).
Elementos lineales
Los elementos lineales o unidimensionales o prismas mecánicos, están generalmente sometidos a
un estado de tensión plana con esfuerzos tensiones grandes en la dirección de línea central (que
puede ser recto o curvo). Su largo suele ser mucho mayor que el alto y ancho. Estos elementos se
pueden clasificar asi:
1. Verticales, comprimidos y rectos: columnas, pilote y pedestales.
2. Horizontales, flexionados y rectos: vigas, dinteles, cimientos corridos, tensores de techo.
3. Diagonales y rectos: arriostres, barras diagonales de una celosía o entramado triangulado,
4. Flexionados y curvos: arcos continuos o vigas en voladizo.
Elementos bidimensionales
En estos elementos el grosor es mucho menor que las otras dos dimensiones. Pueden dividirse
según la forma que tengan en elementos, así:
1. Horizontales, flexionados y planos: losas de cimentación y zapatas.
2. Verticales, flexionados y planos: muros de contención.
3. Verticales, comprimidos y planos: muros de carga y tabiques.
4. Flexionados y curvos: placas de revolución, depósitos cilíndricos y esféricos.
5. Tensados y curvos: membranas elásticas , muros de depósitos con fluidos a presión.
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Elementos tridimensionales
Los elementos tridimensionales o volumétricos son elementos que en general presentan estados de
tensión biaxial o triaxial, en los que no predomina una dimensión sobre las otras. Además estos
elementos suelen presentar tensiones y compresiones simultáneamente en diferentes direcciones,
por lo que el estado de sus esfuerzos es complicado. Entre este tipo de elementos están:
1. Mensulas de sustentación.
2. Zapatas que presentan compresion en direcciones cerca de la vertical y tensión en
direcciones cerca de la horizontal.
Columna
Una columna es un elemento vertical y de forma alargada que sirve, en general, para sostener el
peso de la estructura, aunque también puede tener fines decorativos. De ordinario, su sección es
circular; cuando es cuadrangular suele denominarse pilar, o pilastra si está adosada a un muro.
Cuando las columnas se encuentran dentro de muros de mampostería se les llama mochetas. En
este caso además de trabajar según lo explicado en el párrafo anterior, sirven como elementos de
amarre para la mampostería.
El armado de una columna posee una serie de barras longitudinales corridas o parciales (hasta
cierta altura de la columna) y refuerzo por corte, éste ultimo puede ser de dos tipos:
1. Estribos: se utilizan por lo general en columnas rectangulares y sirven para confinar el
núcleo de la columna y contrarrestar los esfuerzos de corte producido por el pandeo y las
fuerzas perpendiculares al eje de la columna. Los ganchos donde se cierran los estribos
deben ir alternándose en forma de espiral.
2. Zunchos: son estribos en forma de espiral (continuos), se utilizan casi exclusivamente en
columnas circulares o elípticas. Proporcionan un mayor confinamiento debido a su
continuidad. En el caso de los estribos se puede decir que entre los mismos hay una
carencia de refuerzo a corte. Los zunchos tienen el largo de las barras con que se
disponga en el proyecto, esto implica que debe haber traslape entre barras para “zunchar”
una columna, estos traslapes deben ser como mínimo de 1.5 vueltas.
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Columna con estribos, solera de amarre y zapata.
Columnas circulares con zunchos, al centro se ve las formaletas metálicas utilizadas para
fundirlas.
Viga
Una viga es un elemento estructural que se somete a cargas que actúan transversalmente a su eje
longitudinal. Las cargas originan esfuerzos internos en forma de fuerzas cortantes y momentos
flexionantes, además deforman el eje longitudinal en una línea curva. Los momentos flexionantes
provocan tensiones y compresión, en el borde inferior y superior respectivamente. En las zonas
cercanas a los apoyos se producen esfuerzos cortantes. También pueden producirse tensiones por
torsión, sobre todo en las vigas que forman el perímetro exterior de una losa.
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El armado de una viga consta de:
1. Barras corridas que sirven para contrarrestar los esfuerzos de tensión y compresión
axiales.
2. Bastones y/o tensiones que se colocan donde están los cambios de concavidad en la
elástica de la viga, siempre van en el lado donde hay esfuerzo a tensión.
3. Estribos que sirven para confinar el núcleo y contrarrestar los esfuerzos de corte, se
suelen confinar1 en las partes de la viga que presentan mayor esfuerzo de corte. El ACI
recomienda colocar los primeros dos estribos (es decir los más próximos al apoyo en
ambos extremos) a una separación de cinco centímetros entre ellos.
Detalle de una viga de concreto. Véase que los bastones (líneas punteadas) se encuentran en los
puntos de cambio de concavidad de la elástica y siempre en el lado sometido a tensión.
Armadura de vigas.
1 Colocar los estribos a una separación variable en distintos lugares del elemento según lo requiran la variación de los esfuerzos de corte.
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Viga de arriostre
Teóricamente este elemento debería trabajar bajo esfuerzos axiales. Su función es arriostrar los
ciminetos de columnas y otros elementos. Se coloca por lo general a poca distancia por debajo del
suelo (unos veinte centímetros aproximadamente) cerca de las coronas de pedestales o en las
bases de columnas.
El armado es muy simple, incluye barras longitudinales que por lo general trabajan a tensión o
compresión simple y estribos. Los estribos deben cumplir con los mismos requisitos que en las
columnas y no se suelen confinar.
Viga de arriostre entre predestales.
Cimientos
Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las
cargas de la edificación al suelo. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor
que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será
proporcionalmente más grande que los elementos soportados.
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Cimentaciones superficiales
Son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste
suficiente valor soporte2 o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y
relativamente livianas.
En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones, incluso las superficiales, se
apoyan a suficiente profundidad como para garantizar que no se produzcan deterioros. Las
cimentaciones superficiales se clasifican en:
1. Cimentaciones ciclópeas.
2. Zapatas.
3. Cimientos corridos.
4. Zapatas combinadas.
5. Losas de cimentación.
Cimentaciones ciclópeas
En terrenos cohesivos donde la zanja pueda hacerse con paramentos verticales y sin
desprendimientos de tierra, el cimiento de concreto ciclópeo (hormigón) es sencillo y económico.
El procedimiento para su construcción consiste en ir vaciando dentro de la zanja piedras de
diferentes tamaños al tiempo que se vierte el concreto, procurando mezclar perfectamente el
concreto con las piedras, de tal forma que se evite la continuidad en sus juntas. Este es un sistema
que ha quedado prácticamente en desuso, se usaba en construcciones con cargas poco
importantes. Precauciones:
1. Tratar que las piedras no estén en contacto con la pared de la zanja.
2. Que las piedras no queden amontonadas.
3. Alternar en capas el hormigón y las piedras.
4. Cada piedra debe quedar totalmente envuelta por el hormigón.
Zapatas
Las zapatas son un tipo de cimentación que sirve de base a un único elemento estructural puntual
como columnas. Su función es ampliar la superficie de apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin
problemas la carga que le transmite. Cuando el momento flector en la base de la columna es
excesivo no son adecuadas y en su lugar deben emplearse zapatas combinadas o cimientos
corridos en las que se asienten más de una columna.
2 Es la capacidad de carga que posee el suelo (kg/m^2)
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Las zapatas según la relación entre su largo y ancho, pueden clasificarse en: rígidas o poco
deformables y flexibles o deformables. Y según la posición de la columna en la zapata se
distinguen como: centradas, excéntricas e irregulares.
Cimientos corridos
Se emplean para cimentar muros de carga o hileras de columnas. Estructuralmente funcionan
como viga flotante que recibe cargas lineales o puntuales separadas. Son cimentaciones de gran
longitud en comparación con su sección transversal. Estos cimientos tambien funcionan como
arriostres, puede reducir la presión sobre el terreno y puede puentear defectos y heterogeneidades
en el terreno. Otro caso en el que resultan útiles es cuando se requerirían muchas zapatas
próximas.
Pueden tener sección rectangular, escalonada o estrechada cónicamente. Sus dimensiones están en
relación con la carga que han de soportar, la resistencia a la compresión del material y la presión
admisible sobre el terreno.
Su armado consta de barras longitudinales que funcionan como refuerzo secundario y también
sirven para conectar el refuerzo primario que va en la dirección perpendicular al cimiento. El
refuerzo primario puede ser de dos tipos:
1. Barras simples, como en las zapatas, que deben estar colocadas debajo del refuerzo
secundario.
2. Eslabones, como en las mochetas, éstos deben ir con los ganchos hacia arriba.
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En ambos casos este refuerzo trabaja a flexión.
Cimiento corrido durante la fundición, veáse armadura en la parte inferior izquierda.
Zapatas combinadas
Una zapata combinada es un elemento que sirve de cimentación para dos o más columnas. En
principio las zapatas aisladas sacan provecho de que diferentes pilares tienen diferentes momentos
flectores. Si estos se combinan en un único elemento de cimentación, el resultado puede ser un
elemento más estabilizado y sometido a un menor momento resultante.
Losas de cimentación
Una losa de cimentación es una placa flotante apoyada directamente sobre el terreno. Como toda
losa está sometida principalmente a esfuerzos de flexión. El grosor de la losa será proporcional a
los momentos flectores actuantes sobre la misma.
El refuerzo de las losas de cimentación funciona como en una enorme zapata combinada, sobre la
cual se apoya varios elementos. Básicamente se trata de barras longitudinales en ambos sentidos,
muchas veces en doble cama, según el peralte y las cargas que soporte.
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Piso de un sótano.
Pila de el Puente Gemelo Agua Caliente, en el Progreso. Este proyecto nunca se terminó.
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Cimentaciones semiprofundas
Algunos tipos de cimentaciones semiprofundas son:
1. Pozos de cimentación: son en realidad soluciones intermedias entre las superficiales y las
profundas. Algunas veces estos deben hacerse bajo agua, cuando no puede desviarse el
río, en ese caso se trabaja en cámaras presurizadas.
2. Arcos de ladrillo sobre machones de hormigón o mampostería.
3. Muros de contención bajo rasante que no necesitan anclarse al terreno.
4. Micropilotes: son una variante basada en la misma idea del pilote.
Cimentaciones profundas
Se basan en el esfuerzo cortante o fricción vertical entre el terreno y la cimentación para soportar
las cargas aplicadas. Deben tener una gran área sobre la cual distribuir un esfuerzo
suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en cimentaciones
profundas son:
1. Pilotes: son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de desplazamiento
prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno (pilotes de
extracción ejecutados in situ). Antiguamente eran de madera, hasta que alrededor de 1940
comenzó a emplearse el concreto.
Armadura de pilotes con zunchos.
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Detalle de pilote para soportar una columna metálica.
2. Pantallas que no necesitan anclarse al terreno.
a. pantallas isostáticas: con una línea de anclajes.
b. pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.
Cimentaciones de máquinas
A diferencia de las cimentaciones de edificios, que generalmente están sometidas a cargas
estáticas, las cimentaciones de maquinaria están sometidas frecuentemente a cargas cíclicas. La
existencia de cargas cíclicas obliga a considerar el estado límite de servicio de vibraciones y el
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estado límite último de fatiga. Algunos tipos de cimentación usados para maquinaria son: tipo
bloque, tipo celdas, de muros, porticadas, con pilotes, sobre apoyos elásticos y de soporte.
Solera
Es un elemento estructural que se coloca horizontalmente en los muros. Sirve como: conector
entre columnas o mochetas, remate de muros, sillar, dintel, y arriostre entre columnas aisladas.
Puede ser de concreto armado, para soportar la flexión.
Pedestal
Se denomina pedestal al soporte prismático destinado a sostener otro soporte mayor, conformando
la parte inferior de una columna. Suele utilizarse mucho en estructuras metálicas para conectar las
zapatas con las columnas de acero, y además aíslan estas últimas del suelo para protegerlas de la
humedad.
El pedestal es como una columna corta y su armado es muy similar como se observa en la
fotografía.
Armado de un pedestal sobre una zapata excéntrica.
Contrafuerte
Un contrafuerte, también llamado estribo, es un engrosamiento puntual de un muro, normalmente
hacia el exterior. Se usan para transmitir las cargas transversales a la cimentación y así permiten
al muro resistir empujes.
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El origen de los contrafuertes se debe a la necesidad de soportar la componente horizontal de la
carga que origina una bóveda o una cubierta a dos aguas. Estas estructuras de cubierta, además de
su carga vertical, tienden a abrirse y empujar transversalmente al muro que la sustenta. Por ese
motivo, dicho muro debe reforzarse en esa misma dirección para no volcar.
La sección transversal de un contrafuerte suele ser variable, ya que este trabaja como una viga en
voladizo o ménsula. Suele armarse como una columna de peralte variable con barras continuas a
todo lo largo, bastones adicionales y estribos confinados en la base. Esto se debe a que justamente
en la base es donde se da la mayor concentración de esfuerzos de corte y flexionantes debidos al
momento de volteo a que se ven sometidos.
Armadura de un contrafuerte prefabricado para bodega de Expogranel en Puerto Quetzal.
Contrafuertes ya colocados y sometidos a cargas en Expogranel.
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Detalle de armado de un contrafuerte.
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Losa plana
Losa plana.
Pineado
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Muro tilt up
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CONCLUSIONES
1. Reforzar un elemento de concreto no consiste simplemente en colocar mucho acero por
todos lados (o en cualquier parte). Todo el elemento debe contar con el acero minimo (por
requerimientos de los códigos) y en algunos casos con acero por temperatura. Los puntos
donde se concetra la mayor cantidad de acero de refuerzo son aquellos donde hay
concentración de esfuerzos (tensión, compresión, corte y momentos) o ya sea donde hay
cambio de concavidad en la elástica del elemento.
2. Tando estribos como zunchos sirven confinar el núcleo de la columna y contrarrestar los
esfuerzos de corte producido por el pandeo y las fuerzas perpendiculares al eje de la
columna. Los estribos se utilizan en columnas rectangulares se puede decir que entre los
mismos hay una carencia de refuerzo a corte . Los zunchos son estribos en forma de
espiral (continuos), se utilizan casi exclusivamente en columnas circulares o elípticas.
Proporcionan un mayor confinamiento debido a su continuidad.
3. Cinco de las muchas características que definen una armadura de calidad y que cumplirá
con su función son:
a. Se debe colocar el acero donde los esfuerzos lo requieran y en la justa cantidad.
b. Cumplir con los recubrimientos especificados en la sección 7.7 del ACI.
c. Cumplir con las especificaciones de desarrollo y empalmes del Capítulo 12 de
ACI.
d. Hacer un amarre correcto entre los componentes de la armadura.
e. No utilizar soldadura a menos que se cumpla con lo establecido en la sección
3.5.2 del ACI.
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BIBLIOGRAFIA
Libros
Castillo Juárez, Antonio Heberto y Heberto Castillo Martínez. Análisis y Diseño de Estructuras. Tomo 1: Resistencia de Materiales. México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., 1997.
Gere, James M. y T. Timoshenko. Mecánica de Materiales. Segunda Edición. Grupo Editorial Iberoamérica.
Gordillo Castillo, Enrique. Guía General de Estilo para la Presentación de Trabajos Académicos. Guatemala: Centro de Estudios Urbanos y Regionales (CEUR), 2002.
Seely, Fred B. Resistencia de Materiales. México: Unión Tipográfica Editorial Hispanoamericana, 1954.
Timoshenko, S. y D.H. Young. Elementos de Resistencia de Materiales. España: Montaner y Simon, S.A., 1970.
