Diseño y Construcción de Estructuras: Hormigón, Terreno y Naves Industriales

Hormigón

El hormigón es un material compuesto por cemento, agua, áridos y aditivos. Sus características principales son:

• Bajo costo.
• Alta resistencia a la compresión, pero baja a la tracción.
• Disminución de volumen al fraguar.
• Buena adherencia al acero, al que protege.
• Reciclaje difícil y costoso.
• Su densidad es aproximadamente 1/3 de la del acero.
• Su resistencia es aproximadamente 1/10 de la del acero.

La normativa que rige el uso del hormigón estructural es la EHE (Instrucción del Hormigón Estructural).

Tipos de Hormigón

El tipo de hormigón indica su finalidad de uso:

• En masa (HM): Sin armaduras.
• Armado (HA): Con armaduras internas de acero.
• Pretensado (HP): Con armaduras sometidas a tracción.

Resistencia del Hormigón

La resistencia característica (Fck) indica la resistencia a compresión. Se define como la tensión de compresión que resisten el 95% de las probetas (de diámetro 15 cm y altura 30 cm) antes de romper. La resistencia de cálculo a compresión (Fcd) se calcula como Fcd = Fck / coeficiente de seguridad (1.3 o 1.5). Se utiliza en el diseño de barras. La resistencia efectiva (Fjd) tiene en cuenta el efecto del confinamiento, es decir, que el hormigón resiste más compresión cuando se aplica en una zona pequeña de un gran macizo de hormigón.

Diagrama de Comportamiento

El diagrama de comportamiento del hormigón (σc, εc) se aproxima a una parábola hasta 0.85Fcd con una deformación de 0.002, seguida de un rectángulo hasta una deformación de 0.0035.

Terreno

El terreno se caracteriza por su heterogeneidad, la influencia del agua, el grado de cohesividad y de compactación. Resiste esfuerzos de compresión, pero no de tracción, y presenta rozamiento entre partículas. Los tipos de terreno según su resistencia son:

• Rocoso: El más resistente.
• Cohesivos: Arcillas, que pueden soportar cierta tracción.
• No cohesivos: Gravas y arenas, con buen drenaje.
• No apropiados: Material orgánico.

Condición de No Deslizamiento

La condición de no deslizamiento se expresa como τ < |σ|μ, donde μ es el coeficiente de rozamiento y φ (de 5 a 30 grados) es el ángulo de rozamiento (φ = arctg μ). El deslizamiento implica la rotura del terreno. La cohesión (c) del terreno es la tensión tangencial que puede soportar en ausencia de compresión (0-20 kN/m²). El criterio de Mohr-Coulomb es el criterio de fallo del terreno, que establece que el fallo ocurre cuando τ > |σ|μ + c.

Modos de Fallo del Terreno

• Hundimiento: Debido al empuje vertical de la estructura.
• Deslizamiento: Debido al empuje horizontal del terreno sobre un muro de contención.
• Vuelco: Similar al deslizamiento.
• Inestabilidad global: Cuando una gran porción del terreno se mueve conjuntamente.

Presión de Hundimiento y Módulo de Balasto

La presión de hundimiento (Qh) o resistencia característica del terreno es la presión a la que deja de observarse una relación lineal entre la carga aplicada y el desplazamiento vertical del asiento. Indica la rotura del terreno (1-5 MPa en rocas, 0.1-0.5 MPa en otros terrenos). El módulo de balasto (Ks) o coeficiente de balasto se define como la presión aplicada dividida por el desplazamiento producido.

Bulbo de Tensiones

El bulbo de tensiones es la zona del terreno donde la presión vertical es mayor que el 10% de la presión existente debajo del elemento que produce la compresión. Se extiende hasta una profundidad Z = 1.5 o 2 veces el ancho del asiento (B).

Nave Industrial

Una nave industrial es una construcción cerrada, rectangular, con un interior diáfano y una altura superior a 5 metros.

Cerchas y Pórticos

Las cerchas y los pórticos son elementos estructurales principales en naves industriales, separados usualmente 6 metros. Las cerchas apoyan en columnas o muros de carga (apoyos fijos o móviles). Son más ligeras, tienen menor altura útil, peor estética y menos espacio para puentes grúa. Los pórticos transmiten flexión a las columnas, por lo que se refuerzan en el vértice superior y en los nudos de esquina. Suelen tener un perfil "doble T". Ambos elementos tienen mayor resistencia para esfuerzos en su plano y no perpendiculares.

Correas

Las correas son barras de acero que apoyan en los nudos de los pórticos o cerchas, perpendiculares a ellos, en la dirección longitudinal de la nave. Soportan el peso de la cubierta. Sobre ellas se coloca el cerramiento prefabricado.

Arriostramientos

Los arriostramientos, también conocidos como "Cruz de San Andrés", son barras o cables diagonales que impiden el movimiento en la dirección menos preparada para resistir carga. Aportan rigidez, pero no solucionan las acciones perpendiculares al plano del pórtico.

Vigas Verticales y Contraviento

Las vigas verticales soportan el empuje frontal del viento. Se apoyan en los cimientos y en los pórticos (en el punto de las correas). La viga contraviento evita que las vigas verticales actúen sobre los pórticos, proporcionando un apoyo intermedio entre ellas. Se utiliza en naves de gran altura.

Puente Grúa

El puente grúa funciona con un motor eléctrico. Consiste en una viga horizontal paralela a los pórticos, a varios metros de altura. Se apoya en sus extremos en las "vigas carril" (de perfil doble T) y contiene un "carretón" con un polipasto para mover cargas pesadas. El carretón se mueve a lo largo de la viga.

Cimentación

La cimentación es el conjunto de elementos que permiten la interacción entre la estructura y el terreno en buenas condiciones. Sus funciones son resistir localmente grandes tensiones y repartirlas en superficies mucho mayores sobre el terreno. La cimentación más común es la "directa", que reparte la carga vertical sobre una superficie horizontal, sin superar la presión de hundimiento (Qh).

Zapata

Una zapata es un bloque de hormigón, a una profundidad típica de 2 metros, que se fragua en la cavidad excavada, recubriendo las armaduras metálicas. Existen varios tipos:

• Aislada: Para un solo pilar.
• Combinada: Para dos o más pilares no alineados.
• Corrida: Para tres o más pilares alineados.
• Alargada: Corrida bajo un muro.
• Emparrillado: Zapatas corridas entrecruzadas ortogonalmente.

Según su vuelo (V) en relación con su altura (h), las zapatas pueden ser:

• Flexibles: Mayor presión en el centro que en los extremos (V > 2h).
• Rígidas: Mayor presión en los extremos que en el centro (V < 2h).

Placa Base o de Reparto

La placa base o de reparto está en contacto con el hormigón y transmite las tensiones del pilar al hormigón, repartiéndolas para que pueda resistirlas. Se une a la zapata mediante pernos de anclaje.

Pernos de Anclaje

Los pernos de anclaje unen la placa base y la zapata. Son barras de acero con una parte saliente roscada para las tuercas y una parte inferior curvada (patillas). Pueden ser corrugados (con irregularidades en su superficie lateral) o lisos.

Tuercas de Reglaje

Las tuercas de reglaje se colocan entre el hormigón y la placa base. El espacio entre ellas se rellena con mortero de reglaje.

Vigas de Atado y Centradoras

Las vigas de atado previenen movimientos horizontales entre zapatas (tracción-compresión). Las vigas centradoras se utilizan para columnas no centradas en la zapata, uniformizando la distribución de presiones bajo la zapata.

Losa de Cimentación

La losa de cimentación recoge todas las columnas. Se utiliza cuando la superficie cubierta por los elementos de cimentación aislados supone la mayor parte de la superficie en planta de la estructura.

Pilote

Un pilote es una barra vertical de hormigón armado, madera o metal que penetra a grandes profundidades (longitud de 6 a 12 metros, diámetro mayor a 0.5 metros) y se utiliza para cimentaciones profundas. Según su forma de construcción, pueden ser prefabricados u hormigonados in situ (con barrena, entubaciones metálicas, camisa recuperable o perdida). Las armaduras metálicas se colocan antes de fraguar. Los tipos de pilotes son "por fuste" o "por punta". El encepado sirve como elemento de unión entre pilotes, similar a una zapata, y proporciona puntos de anclaje para la estructura.

Uniones

Tornillos y Remaches

Los tornillos y remaches evitan la separación y el deslizamiento entre chapas. Los problemas que pueden presentar son la cortadura (la chapa corta el vástago), el aplastamiento de la chapa contra el tornillo o la rotura de la chapa por la línea de agujeros.

Soldadura

La soldadura implica la fusión del material, con material de aportación (varilla). La elevación de la temperatura se logra mediante corriente eléctrica (por arco) o combustión de gas (soplete de oxígeno-acetileno). Al unir, el espesor (e) debe ser mayor a 4 mm y el ángulo (α) menor a 120º. El espesor de garganta (a) es la distancia desde el vértice de ambas placas hasta la línea más alejada y contenida dentro del cordón. El plano de garganta es la superficie entre las dos líneas a lo largo de la longitud del cordón. Se considera que el ángulo entre las placas es mayor a 120º.

Nudos

Los nudos se caracterizan por su resistencia y rigidez. La resistencia se define por el nivel de carga que pueden transmitir: "completa" (diseñados para fallar a una carga mayor que la transmitida por las barras) o "parcial". La rigidez se define por el nivel de carga necesario para producir un giro relativo entre las secciones que une: "rígido" (los movimientos no influyen en el estado de tensiones) o "articulado" (no se desarrollan momentos que influyan en el estado de tensiones). Los problemas de los nudos se solucionan con rigidizadores.

Perfiles Compuestos

Los perfiles compuestos pueden unirse mediante presillas (placas que unen los perfiles mediante soldadura) o celosía (más eficaz, sinónimo de armadura, solo con esfuerzos axiles).