En Costa Rica los
profesionales en ingeniería civil son los responsables del cálculo y diseño de las
estructuras que dan soporte al espacio construido. El profesional en
Arquitectura es responsable del diseño espacial, formal y organizacional de los
proyectos edificatorios.
Para el diseño
estructural los ingenieros civiles requieren el diseño para calcular
las cargas o pesos del edificio (vivas y muertas) y para analizar la geometría
que compone la propuesta. Adicionalmente requerirán de estudios específicos que
muestren la constitución de los tipos de suelos donde se construirá, la
capacidad de soporte, la estabilidad de taludes, presencia de mantos acuíferos,
así como la topografía de la superficie, entre otros.
Entonces procede
a la suma de todas las cargas del edificio, empezando desde los niveles
superiores a los niveles inferiores. Cada nivel del edificio debe ser capaz de
soportar sus propias cargas, trasmitirlas al nivel inferior y de ser el caso
soportar y trasmitir cargas de niveles superiores. Todas las cargas, se
trasmiten por los componentes estructurales al suelo, a un estrato que tenga la
capacidad de soporte superior a la carga que se le trasmite.
También debe
analizar las cargas de viento, sísmicas, por retención de tierra (muros), por
agua (tanques, piscinas), etc.
La paradoja que
se presenta es que para estos cálculos se debe tener un diseño, pero para
elaborar ese diseño el arquitecto debe concebir un pre-diseño de estructura con
dimensiones, geometría y refuerzos que sean muy cercanas a las que podría recomendar
el ingeniero civil. En caso contrario, si el diseño arquitectónico no se
aproxima a esas dimensiones los ajustes al diseño podrían afectar las ideas
proyectuales y transformar drásticamente el proyecto, situación que además
tendrá impacto en el presupuesto del valor de la obra. Incluso podría verse
afectado el programa arquitectónico original y hasta la viabilidad del proyecto.
Por tanto, el
arquitecto debe tener conocimientos básicos y el dominio de temas asociados a principios
estructurales que le permitan reconocer cómo se trasmiten las cargas en las
estructuras, cómo la geometría y las cargas afectan y deforman los componentes
estructurales, cuáles son las deformaciones y cómo se debería reforzar la estructura,
entre otros.
En el presente
texto e imágenes se describe un método para realizar el pre-dimensionamiento de
componentes estructurales de concreto armado, no debe entenderse como método de
cálculo final, solo es una herramienta que puede utilizarse para el proceso de
diseño previo al análisis que debe realizar un profesional de ingeniería civil
estructural.
Éste
procedimiento es útil para el pre-dimensionamiento de componentes estructurales
de concreto armado en proyectos arquitectónicos cuya geometría es organizada a
partir de formas y volúmenes rectangulares, con planos y marcos estructurales. Adicionalmente
se dan recomendaciones para reforzar el sistema estructural, útil en proyectos
de baja escala.
Importante
mencionar que el procedimiento posibilita acercarse al dimensionamiento preliminar
de vigas, columnas, losas. Dimensionamiento de la sección menor de las geometrías,
y no a la constitución total del componente estructural. Por tanto, solo se
tendrá la aproximación a las medidas externas del componente. Será el profesional
en ingeniería civil estructural quién defina en detalle estas dimensiones y la
constitución interna del componente, a saber, indicará el tipo de concreto a
utilizar y la resistencia en kg/cm2, además indicará el tipo de acero
(varillas), la cantidad y la disposición de la armadura interna. También podría
indicar la necesidad de mayores ajustes o refuerzos complementarios.
DEFORMACIONES/ESFUERZOS EN MARCOS DE CONCRETO ARMADO
Marco Estructural es un sistema compuesto por al menos dos COLUMNAS (componente que transfiere cargas en su eje vertical) y una VIGA (componente que transfiere cargas en su eje horizontal) que se une a las columnas en su extremo superior.
TRANSMISIÓN DE CARGAS DE LOSAS A VIGAS DE CONCRETO ARMADO
La transferencia
de las cargas de una losa a las vigas que la soportan en su perímetro se da de
diferentes formas dependiendo del sistema estructural de la misma.
- Las losas
rectangulares sin viguetas, transfieren la carga a las vigas de perímetro, de
acuerdo al área de influencia.
- Las losas
rectangulares con viguetas de soporte transfieren la carga por medio de éstas a
las vigas en que se soportan. Cada vigueta soporta un área de influencia a
partir del centro del claro existente entre dos viguetas.
- Las losas
rectangulares con nervaduras transfieren la carga a las vigas donde se soporten
las nervaduras.
Para calcular el
espesor o altura de una losa rectangular de concreto armado maciza (sin
viguetas y/o nervaduras) se debe dividir la dimensión o luz menor del rectángulo
entre 40.
No se recomienda
la construcción de losas con espesores menores a 8cm.
Para losas con
soportes de viguetas o nervaduras, prefabricadas o no, la altura o espesor del
sistema (losa + viguetas) se podría determinar dividiendo la dimensión o
luz menor del rectángulo entre 20.
REFUERZO EN MARCOS DE CONCRETO ARMADO
Un marco
estructural de concreto armado es más resistente a las cargas por sismo en su
longitud a lo largo del plano en que se inscribe, no así en su espesor. Para
una mayor resistencia el marco estructural puede ser reforzado de múltiples
maneras. Ampliando la sección de columnas y viga; Reforzando los vértices entre
columnas y viga; Ampliando la sección longitudinal de la columna; etc.
CÁLCULO PRELIMINAR DIMENSIÓN VIGAS DE CONCRETO ARMADO
Viga es un
componente estructural que transfiere cargas en su eje horizontal a columnas.
Para el cálculo
preliminar para el dimensionamiento de vigas de concreto armado se recomienda
como sección menor 20cm x 20cm. Se puede utilizar una dimensión menor en el
ancho o base de la viga de 15cm siempre que la altura sea igual o mayor a 30cm.
- El cálculo
preliminar para determinar la altura de una viga en un marco simple: se divide
la luz o distancia inter columnas entre 10;
- En un marco con
viga en voladizo: se divide la distancia o medida del voladizo entre 5.
- En un marco
compuesto de varias columnas y varios claros o luces: se divide la distancia de
la luz mayor entre 10;
En un sistema
compuesto o en un proyecto en donde los marcos del sistema primario presentan
diversos tipos de claros o luces se debe utilizar la altura mayor. En estos
casos la diferencia que podría existir entre cada tipo de viga, dependiendo de
la luz y cargas, será la cantidad de acero de refuerzo interno, también podría utilizarse
una dimensión distinta en la medida del ancho o base de la viga.
EJEMPLO: ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN ARQUITECTÓNICA, SISTEMA DE ORDEN ORTOGONAL
EJEMPLO: ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN COLUMNAS CONCRETO ARMADO
EJEMPLO: ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN VIGAS CONCRETO ARMADO
EJEMPLO: VISTA EN 3D SISTEMA DE MARCOS PRIMER NIVEL
EJEMPLO: VISTA EN 3D SISTEMA DE MARCOS PRIMER NIVEL + SEGUNDO NIVEL
CÁLCULO PRELIMINAR DIMENSIÓN COLUMNAS DE CONCRETO ARMADO
Para realizar el
cálculo preliminar de la sección de columnas se debe precisar el área de
influencia que transfiere cargas a la misma. Es importante recordar que en un
sistema de marcos estructurales las vigas que se apoyan en la columna son las
que transfieren las cargas. A las vigas se transfieren las cargas de cada nivel
por medio de las losas y viguetas, entre otros componentes principales.
Para efectos del
cálculo preliminar o pre-diseño de la estructura y sus dimensiones se puede
considerar que cada metro cuadrado de área de influencia transfiere 1000kg
(entre carga viva y muerta) a la columna.
El área de influencia de la imagen anterior se calcula con la siguiente fórmula:
Área Influencia = ((A/2)+(B/2)) * ((C/2)+(D/2))
A continuación,
en la tabla se presenta un ejemplo de cálculo para una columna en un sistema de
marcos, el área de influencia hipotética se define en 60m2.
NIVEL
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ÁREA DE INFLUENCIA:
Se utilizará un área hipotética de 60m2
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CARGA POR NIVEL:
1000kg por m2 de área de influencia, se puede considerar
la mitad de la carga (500kg) para el nivel superior cubierta y el nivel inferior
sobre suelo
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CARGA ACUMULADA POR NIVEL:
Carga propia del nivel +
carga del nivel superior
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ÁREA DE SECCIÓN COLUMNA:
Carga/100kg=cm2
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DIMENSIONES DE SECCIÓN COLUMNA:
En columnas cuadradas la sección menor recomendada es de 20cm x 20cm.
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3 NIVEL CUBIERTA
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60m2
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30,000kg
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30,000kg
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300cm2
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15cm x 20cm (menor a recomendado)
20cm x 20cm
o
15cm x 30cm
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2 NIVEL ENTREPISO
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60m2
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60,000kg
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90,000kg
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900cm2
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15cm x 60cm
o
20cm x 45cm
o
25cm x 36cm
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1 NIVEL SUELO
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60m2
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30,000kg
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120,000kg
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1200cm2
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15cm x 80cm
o
20cm x 60cm
o
30cm x 40cm
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Por último, recordar que este procedimiento es una aproximación para definir preliminarmente las dimensiones, geometría, composición y refuerzos en una estructura regular ortogonal en marcos estructurales para efectos del diseño arquitectónico. El cálculo definitivo debe realizarlo un profesional de ingeniería civil estructural.
