EDIFICIOS EN ALTURA – TIPOLOGIAS ESTRUCTURALES

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES FACULTAD DE ARQUITECTURA DISEÑO Y URBANISMO

CARRERA DE ARQUITECTURA

ESTRUCTURAS III

Tema: EDIFICIOS EN ALTURA – TIPOLOGIAS ESTRUCTURALES

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Ing. José María Canciani Arqa. Cecilia Cei

Año Académico: 2011

TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES DE EDIFICIOS EN ALTURA VIGA DE TUBO CALADO

La condición básica es la de obtener tipologías que puedan resistir no solo las cargas gravitacionales sino también las de viento (ó sismo), o sea cargas horizontales. Para ello estas estructuras deben tener rigidez transversal.

Así tenemos en orden creciente de rigidez:

  1. – pórticos múltiples:

    El sistema trilítico de columnas y vigas no sirve para tomar cargas horizontales; pero si se rigidizan los nudos, es decir los encuentros entre viga y columna se obtiene un pórtico, el cual tiene rigidez transversal.

    Uds. Ya han visto pórticos en E 1 y E 2.

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    En edificios en altura este sistema se multiplica en altura y en ancho de fachada, obteniéndose una grilla tridimensional llamada pórtico múltiple capaz de resistir esfuerzos verticales y horizontales.

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    Es apto para luces entre 3 m y 4,5 m.

    En nuestro país se construyen en hº aº, y por esta razón, su peso propio, tiene limitaciones en altura. (kavanagh, Comega). 20 pisos

    En otros países (usa, Europa, Asia) donde el acero es más barato, se los construye en acero y originalmente hierro. (E.Etate, Chrysler). Tiene la limitación en altura de la flexibilidad del material. 25 pisos.

    Actualmente el procedimiento de cálculo es mediante programas informáticos, Pplan, del cual ya van a tener una clase y acceso al mismo.

    En todos los casos los pórticos se calculan por separado en la dirección “x” e “y” sin tener en cuenta la vinculación entre ambos.

  2. – tabiques:

    Es una placa que tiene una gran rigidez transversal, al igual que el pórtico, pero al tratarse de un elemento macizo su rigidez es mayor. Por esta razón permite lograr mayor altura y menor deformación lateral.

    No tiene rigidez para cargas perpendiculares al plano definido por H y L.

    Tiene menor flexibilidad en cuanto a diseño y no permite las plantas libres, por eso es apto para viviendas u hoteles, por ejemplo.

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    En nuestro país se los construye en hº aºc (Sheraton).

    Una forma de lograr un tabique en acero es cruzando con diagonales un marco.

    Los tabiques pueden estar aislados en la planta y completar el esquema estructural con columnas, de forma tal que éstas tomarán la carga vertical y los tabiques tomaran tanto la vertical como la horizontal.

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    O también pueden estar agrupados entre sí, en cuyo caso casi siempre constituyen los llamados núcleos (circulatorios) para alojar, ascensores, plenos, escaleras y servicios. Estos constituyen prácticamente una tipología en sí mismos.

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  3. – tabique + portico:

    Esta combinación es quizás la más usada en Bs.As. Y aprovecha las ventajas de cada uno de estos elementos estructurales. El pórtico estaría tomando la deformación por corte y el tabique la deformación por flexión.

    En Bs. As. Y en nuestro país en general, se construye en hº aº, no obstante se está incursionando en sistemas mixtos, con núcleo de hº aº y pórticos perimetrales e interiores de acero, como por ejemplo el hotel panamericano. Pero aún no dan los costos a pesar de ser más rápido.

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  4. – sistemas de enrejado:

    Conceptualmente funcionan como fachadas estructurales, que podrían considerarse como tabiques con grandes vanos ó pórticos de gran rigidez. Su desarrollo se debe fundamentalmente a las pieles y entramados en acero, no obstante está su equivalente en hº aº.

  5. – sistemas tubulares

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    Es decir paredes estructurales que se vinculan rígidamente entre sí mediante sus aristas y sus entrepisos, obteniendo la rigidez equivalente a la de un tubo la cual es mucho mayor que si se considera la de los 4 tabiques por separado.

    Esto permite lograr mayor altura y esbeltez con menor deformación. Actualmente los edificios más altos del mundo tienen esta tipología, o están basados en estos principios. (Twin Towers, Hancock, Rulero). Se privilegia su construcción en acero, pero con los avances de calidad del hº aº, se han logrado grandes resistencias, con el agregado de distintos productos (1000 kg/cm2), y así las Petronas de Pelli, están construidas en parte en hº aº.

  6. – haz de tubos:

    es una consecuencia del anterior, y consiste en agrupar varios tubos, obteniendo un “haz” un manojo de tubos, que permite lograr más rigidez y altura y también distintas alturas de c/u de los tubos (Sears).

  7. – colgados:

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Estos edificios, son especiales, siguen el camino inverso de las cargas. Son más caros pero más estables.

(Pirelli, torres de Plaza Colon, torres Kio).

8.- reticulados:

lo explicamos con ejemplos, muy distintos, pero que parten del mismo principio. Banco de China, Pei; torre en Barcelona.

9.- macroporticos:

también lo explicamos con ejemplos. Banco de Shanghai y Commerzbank, Foster. Son pórticos enormes con pilares y travesaños de los cuales cuelgan los entrepisos.

Una aclaración muy importante: en realidad, estos edificios son c/u en si una tipología, o mejor dicho un modelo único, y no se los puede clasificar estrictamente, pues si nos ponemos a estudiar en detalle a c/u de veremos otras posibilidades de análisis estructural. Lo importante es que el proyectista logro llevar las cargas a tierra con una estructura bella y racional a la vez.

VIGA DE TUBO CALADO

Parámetros de tipologías estructurales y cantidad de pisos Pórticos: hasta 20 pisos

Tabiques: hasta 35 pisos Tabiques + Pórticos: hasta 50 pisos

►Para programas de necesidades más complejos de mayor desarrollo en altura: soluciones novedosas como la VIGA DE TUBO CALADO

Ejemplos: Edificio Sears (chicago) Torre prourban ( Bs. As.)

TUBO CALADO:

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Tipologías : 1. Según Planta Tubo Calado

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  • Es el más simple: FACHADA ESTRUCTURAL, que soporta las cargas horizontales como una viga hueca en voladizo

  • Paredes perforadas forman columnas espaciadas de 1,5 a 3.00mts, arriostradas por grandes vigas a manera de dinteles y antepechos.-

  • La acción tubular es más eficiente en plantas circulares.-

    Tubo en Tubo

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  • Aumenta su resistencia con otro tubo interno: núcleo de ascensores, además de resistir cargas verticales soporta cargas horizontales.-

  • Los entrepisos arriostran ambas estructuras (fachadas y núcleos)

    Triple Tubo

  • Construido por 3 tubos:

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    1.-Inferior: circulaciones verticales

    2.-Exterior: determinante: Fachada Estructural 3.-Intermedio: dispuesto entre ambos

    Los tubos están vinculados por los entrepisos a manera de diafragmas.-Especialmente apta para resistir sismos y viento.-

    4.-TUBO + TABIQUE

  • La rigidez del tubo aumenta si se le agregan tabiques interiores

  • Las paredes exteriores son las alas de una viga hueca cuya alma sería los Tabiques

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  • Cuando más juntas estén las columnas exteriores menos tabiques interiores necesito. TUBO + PORTICOS INTERIORES

  • Ej.: Edificio CHARLOTTE -CAROLINA DEL NORTE U.S.A.- 40 pisos

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  • Los extremos en punta del hexágono logran un comportamiento estructural tubular efectivo

  • Se agregaron pórticos estructurales transversales que vinculan las fachadas mayores y rigidizan las triangulares: eficiente acción tubular

    HAZ DE TUBOS O TUBOS MODULADOS

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  • Es lo más avanzado en este tipo

  • El tubo aporticado exterior es rigidizado por diafragmas interiores cruzados en ambas direcciones.-

  • Se configura así un ensamble de tubos celulares, individuales entre sí, independientemente resistentes.-

  • Ej.: Edificio SEARS CHICAGO -109 pisos

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    TIPOLOGIAS SEGÚN FACHADAS

    1.-PAREDES APORTICADAS

    2.- PAREDES RETICULADAS

  • La rigidez en fachada aumenta, cuando aumenta el nº de diagonales

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  • Las diagonales no soportan solamente la mayor parte de la carga de viento, sino que colaboran como columnas tomando las cargas horizontales.-

  • Las diagonales del sistema actúan como sistema principal de distribución de cargas.-

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    DIAGONALES + VIGAS

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  • No hay columnas

  • Las diagonales actúan como columnas inclinadas, además de tomar el viento

  • Las vigas sirven de arriostramiento.-

    DIAGONALES SOLAMENTE

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    COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

    1.-ESQUELETO APORTICADO + TABIQUE

    Ej.: Tubo en tubo, tubo tabique, tubo + pórtico y paredes aporticadas

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  • El tubo exterior es más rígido que el esqueleto aporticado y resiste la mayor parte del viento en la zona superior del edificio

    ·

  • La resistencia interna resiste en la parte inferior

    2.-SISTEMA DE ENREJADO CON DIAGONALES EN CRUZ

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    VIGA DE TUBO CALADO

  • Se convierte en un tubo sólido que bajo la acción del viento su comportamiento puede ser descripto por un voladizo elemental

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  • Cuando se introducen aberturas (ventanas) resulta una fachada con vigas importantes y columnas que provocan una deformación del edificio por corte y que se manifiesta en las columnas cercanas a las esquinas del edificio y disminuyen hacia el centro de la fachada.-

  • Cada fachada es 1 viga Vierendell unida por los entrepisos con las otras 3 y rigidizada por las aristas (unión de 2 fachadas)

  • Los entrepisos sirven de arriostramiento lateral

  • El viento produce flexión

  • La estructura vertical de la fachada resiste sólo las cargas horizontales y las verticales correspondientes a su área de influencia

  • Se desprecia el corte en las aristas

  • Se comporta como una viga compuesta

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METODO DE CÁLCULO

b

C1 C2

Planta n

lc

Como método aproximado se puede comenzar considerando a toda la estructura como un tubo

a) Determinación de la carga total (Nit) que actúa en cada columna

Comprende las cargas debidas al Viento (Niv) perpendiculares a la fachada (barlovento y sotavento) y paralelas a la fachada

y las debidas a las fuerzas gravitacionales (Nipp y Niq)

Nit= Nipp + Niq +Niv

DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS GRAVITACIONALES

Corte

¾Nipp= c1 x c2. H . Pe HºAº

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H

Siendo:

c1 y c 2: largo y ancho de la columna

H: altura total del edificio

Pe Hº Aº: Peso específico del Hº Aº

c

d d/2

d/2

lc lc

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lc/2 lc/2

Niq: lc(d/2 + c/2).nºde plantas .q

2

La carga gravitacional es igual tanto sea para las columnas paralelas a la dirección del viento como para las perpendiculares (a barlovento y

c1 Sotavento)

Niv CARGA DEBIDA AL VIENTO

Las Columnas pueden estar:

  1. Perpendiculares a la dirección del viento (a barlovento o a sotavento)

  2. Paralelas a la dirección del viento

Como este es un método aproximado en que se asemeja al edificio a una ménsula sometida a flexión se tiene:

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s= Niv / ac Niv = ac image Siendo:

Ac: sección de la columna

  • Máx . ac : Niv columnas perpendiculares

    • . y . ac : Niv columnas paralelas

      Y: la distancia desde la columna considerada hasta el eje neutro

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      W n

      Entonces se tiene

      b

      1. s Máx = M = M = M

W J 2J

b/2 b

sMáx

n sy a

o Máx= b. M

2J

En columnas perpendiculares a la acción del viento , y

sy= M . y J

En columnas paralelas a la dirección del viento. Siendo:

J: el momento de inercia del tubo W: el ´módulo resistente del tubo

M: el momento volcador que es absorbido en un 75% por las alas del tubo y en un 25% por el alma del mismo.

MOMENTO DE INERCIA TOTAL DE LAS COLUMNAS (Jn)

Jn = J alas + J alma

Siendo:

Jn: el momento de inercia total de las columnas

J alas: el momento de inercia de las alas

J alma: el momento de inercia del alma

c2 v

c1

W

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b/2

b

n=

b/2

b/2

n=V V=n

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Jn = c1.c 3 + c .c

(b/2)2 Jalas = n. Ac. (b/2)2 .2

2 1 2

12

Siendo:

n: número de columnas

se desprecia

Ac=C1 . C2 = superficie de la sección

MOMENTO DE INERCIA DEL ALMA

La ecuación usada para hallar el J de las alas es poco apropiada para el alma porque la distancia “ y” desde el baricentro de cada columna al eje neutro no es constante. Por lo tanto las columnas se consideran como un tabique macizo de igual superficie que la columna.

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b

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lc lc t

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lc

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Entonces: Ac = t

lc

siendo:

Ac: superficie de la columna

lc: luz entre columnas

t: espesor del tabique

Luego: J alma = t . lc 3

12

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Para 2 almas = 2. t . lc3

12

6

MOMENTO DE INERCIA DEL ALMA (considerando todas las columnas)

J alma= t .b3 por lo tanto, reemplazando

6

J alma= Ac.b

6. lc

Finalmente, sumando se tiene

Jn= n.2. Ac. ( b )2 + Ac. b3

2 6 . Lc

Jn = Ac . b2 ( n + b )

2 3 Lc

CARGA TOTAL DE LAS COLUMNAS PERPENDICULARES A LA DIRECCIÓN DEL VIENTO:

Nit

A1) a barlovento: Nit = Nipp + Niq – s Máx .Ac A2) a sotavento: Nit = Nipp + Niq + s Máx .Ac

COLUMNAS PARALELAS A LA DIRECCIÓN DEL VIENTO

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W

b/2

  • iy

    Nipp y Niq no varían si tienen la misma sección y área de influencia que las columnas perpendiculares a la dirección del viento

    Niv varía porque varía la distancia “Y” al eje neutro. A mayor distancia mayor tensión , pero estos valores serán siempre inferiores que los de las columnas perpendiculares , porque las distancias van disminuyendo de b/2 hasta o.

    Entonces la carga será: Nit = Nipp + Niq + s y. Ac

    Norma D.IN. 1045

    Es el segundo paso a realizar:

    • A.- En el caso de las columnas perpendiculares a la dirección del viento se verifica la sección y se calcula la armadura

    • B.- En el caso de las columnas paralelas a la dirección del viento no es necesario verificar la sección sino solamente calcular la armadura.

CALCULO DE LA ARMADURA

La carga a considerar para el cálculo de las armaduras de las columnas es la de las columnas perpendiculares a la dirección del viento a sotavento

As = 1 (d NT – Aci . b R)

su

Siendo:

d: coeficiente de seguridad

2,1 (dominio 5 compresión pura)

su: tensión en el acero

Aci:área de la columna

m= As m mín: 0,8%

Ac m máx: 9%

Verificación:

N = Aci x (bR +. m . su)

d

Siendo:

N: carga máxima admisible

NT: carga máxima actuante N > Nt

VERIFICACIÓN APROXIMADA DE LAS TENSIONES DE CORTE

QW: esfuerzo de corte a nivel del terreno

A: Sección resistente de corte (se considera la sección del perímetro de las columnas del tubo)

A : 4 x nº col x Ac (no se consideran las columnas de las esquinas)

t= Qw

A

CALCULO DE LA DEFLEXIÓN DEL TUBO

Se comprobará que : Δ t < h

500

Debido a las ventanas el tubo sufre importantes deformaciones en las paredes paralelas a la dirección del viento, ya que se comportan como pórticos múltiples.

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Por lo tanto la deflexión total será la suma de la deflexión como tubo ideal más la deflexión como pórtico múltiple

Deformación como tubo ideal de paredes macizas

Δ tt = W x H4

8x E x J

Donde:

W: carga uniformemente repartida : se transforma el diagrama trapecial de cargas en uniformemente repartida :

W = Q/H

H: altura del edificio

E: módulo de elasticidad del Hº Aº

J: momento de inercia del tubo

DEFORMACION COMO PÓRTICOS MÚLTIPLES

La deformación producida por las perforaciones de las paredes paralelas

a la dirección del viento que las convierte en pórticos múltiples es alrededor del 80% del desplazamiento total Δ t

Los pórticos múltiples son 5 veces más flexibles que el tubo ideal de paredes macizas

Δ tp = Δtt

0,20

Deformación total del edificio

Δ t = Δ tt + Δ tp

Δt < H / 500

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