Fundamentos de Ingeniería Estructural 3 ed

Descripción

La presente obra está escrita desde un enfoque conceptual que se desarrolla dentro de una secuencia lógica fundamentada en los principios básicos de la física y la mecánica estructural que proporcionan al estudiante bases sólidas para entender el funcionamiento de las estructuras desde la perspectiva sísmica.

Este texto tiene una visión general del problema del análisis y diseño estructural para los alumnos de arquitectura; proporciona las herramientas necesarias para que los futuros arquitectos realicen sus obras con una infraestructura sana y resistente, tomando en cuenta que el comportamiento y las características de las estructuras dependen del proyecto arquitectónico. Para la elaboración de esta obra se apeló a la experiencia de los cursos AQE0101 Estructuras I y AQE0102 Estructuras II del currículum mínimo de la Escuela de Arquitectura de la Universidad.

VENTAJAS

• A lo largo de la obra aparecen numerosos ejemplos y figuras que ayudan a la mejor comprensión de cada uno de los temas.

• Al final de cada capítulo se encuentra una serie de ejercicios con respuestas.

CONOZCA

• El principio de transmisibilidad de una fuerza.

• Las funciones de cada uno de los tres dispositivos básicos de vinculación.

• Las causas y consecuencias de los sismos, así como su medición predicción y registros.

APRENDA

• A llevar a cabo operaciones de composición y descomposición de fuerzas.

• A calcular deformaciones a nivel de sección y deformaciones, a nivel de elemento y de sistema completo.

• A utilizar el método de las fuerzas para calcular las fuerzas que intervienen en estructuras estáticamente indeterminadas.

DESARROLLE SUS HABILIDADES PARA

• Determinar la capacidad resistente de elementos o estructuras.

• Analizar espectros de respuesta elástica para movimientos sísmicos.

• Obtener los valores máximos de la respuesta sísmica.

A QUIÉN VA DIRIGIDO

La presente obra está dirigida a estudiantes de Arquitectura.

Índice general

I. ESTÁTICA ……………………………………………………………………………….. 13

1.1. INTRODUCCIÓN …………………………………………………………………………… 13

1.2. LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL …………………………………………….. 16

1.3. CONCEPTO DE FUERZA ……………………………………………………………….. 20

1.3.1. Propiedades de una Fuerza ………………………………………………………. 20

1.3.2. Tipos de Fuerzas …………………………………………………………………….. 21

1.3.3. Centro de Gravedad ……………………………………………………………….. 25

1.4. OPERACIONES CON FUERZAS ……………………………………………………… 33

1.4.1. Principio de Transmisibilidad de una Fuerza ………………………………. 33

1.4.2. Composición de Fuerzas ………………………………………………………….. 34

1.4.3. El Polígono de Fuerzas …………………………………………………………….. 38

1.4.4. Descomposición de Fuerzas ……………………………………………………… 39

1.4.5. El Polígono Funicular ……………………………………………………………… 44

1.4.6. La Línea de Presión y el Arco ………………………………………………….. 48

1.5. EQUILIBRIO DE UNA PARTÍCULA ………………………………………………… 52

1.6. EQUILIBRIO DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS …………………………… 66

1.6.1. Noción de Sistema …………………………………………………………………. 66

1.6.2. Condiciones de Equilibrio ……………………………………………………….. 68

1.7. ROCE ……………………………………………………………………………………………… 71

1.8. CONCEPTO DE MOMENTO ………………………………………………………….. 85

1.8.1. Introducción ………………………………………………………………………….. 85

1.8.2. Momento de una Fuerza con Respecto a un Punto …………………….. 86

1.8.3. Traslado de una Fuerza Fuera de su Línea de Acción ………………….. 86

1.8.4. Pareja de Fuerzas y Propiedades del Momento …………………………… 87

1.8.5. Reducción de un Sistema General de Fuerzas. Caso Plano ………….. 90

1.8.6. Equilibrio de un Cuerpo Rígido ………………………………………………… 95

1.9. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 104

II. ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS ISOSTÁTICAS …………………………… 127

2.1. EQUILIBRIO GLOBAL ……………………………………………………………………. 127

2.1.1. Grados de Libertad y Vinculación …………………………………………….. 127

2.1.2. Dispositivos de Vinculación …………………………………………………….. 130

2.1.3. Concepto de Lámina ………………………………………………………………. 132

2.1.4. Estructuras de una Lámina ………………………………………………………. 133

2.1.5. Estructuras de dos Láminas en Cadena ……………………………………… 142

2.1.6. Cadenas de Varias Láminas ……………………………………………………… 152

2.2. ESTRUCTURAS DE RETICULADO ………………………………………………… 153

2.2.1. Introducción ………………………………………………………………………….. 153

2.2.2. Solución por el Método de Nudos ……………………………………………. 157

2.1.3. Solución por el Método de las Secciones (Método de Ritter) ………….. 162

2.3. DIAGRAMAS DE ESFUERZOS INTERNOS …………………………………….. 165

2.3.1. Definición de Esfuerzos Internos ………………………………………………. 165

2.3.2. Convención de Signos …………………………………………………………….. 168

2.4. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 179

III. RESISTENCIA DE MATERIALES Y DISEÑO ESTRUCTURAL ………… 205

3.1. INTRODUCCIÓN …………………………………………………………………………… 205

3.2. ELEMENTOS SOMETIDOS A CARGA AXIAL ………………………………… 207

3.2.1. Concepto de Tensión Unitaria …………………………………………………. 207

3.2.2. Concepto de Deformación Unitaria ………………………………………….. 210

3.2.3. Ley de Hooke ………………………………………………………………………… 211

3.2.4. Diseño de Elementos de Acero en Tracción ………………………………. 216

3.2.5. Diseño de Elementos de Madera en Tracción …………………………….. 224

3.2.6. Elementos Sometidos a Compresión. Pandeo …………………………….. 236

3.2.7. Diseño de Columnas de Acero …………………………………………………. 244

3.2.8. Diseño de Elementos de Madera en Compresión ……………………….. 250

3.2.9. Diseño de Columnas de Hormigón Armado ………………………………. 256

3.3. ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN …………………………………………. 267

3.3.1. Tensión de Flexión …………………………………………………………………. 267

3.3.2. Tensiones de Cizalle ……………………………………………………………….. 274

3.3.3. Diseño de Vigas de Material Homogéneo: Acero y Madera ………….. 276

3.3.4. Inestabilidad en Vigas. Pandeo Lateral-Torsional ……………………….. 285

3.3.5. Diseño de Vigas de Material No-homogéneo: Hormigón

Armado …………………………………………………………………………………. 288

3.4. COMBINACIONES DE CARGAS Y CRITERIOS DE DISEÑO ………….. 304

3.5. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 306

IV. COMPLEMENTOS DE ANÁLISIS Y COMPORTAMIENTO

ESTRUCTURAL ……………………………………………………………………….. 327

4.1. INTRODUCCIÓN …………………………………………………………………………… 327

4.2. CÁLCULO DE DEFORMACIONES …………………………………………………. 332

4.2.1. Deformaciones a Nivel de Sección …………………………………………… 333

4.2.2. Deformaciones a Nivel de Elemento y de Sistema

Completo ………………………………………………………………………………. 335

4.3. ESTRUCTURAS ESTÁTICAMENTE INDETERMINADAS ……………… 337

4.3.1. El Método de las Fuerzas …………………………………………………………. 337

4.3.2. Solución de Estructuras Estáticamente Indeterminadas ………………. 340

4.3.3. Necesidad de la Indeterminación Estática …………………………………. 347

4.4. CONCEPTOS DE RESISTENCIA MÁXIMA Y RIGIDEZ

ELÁSTICA ………………………………………………………………………………………. 350

4.4.1. Resistencia Máxima ………………………………………………………………… 350

4.4.2. Capacidad Resistente de Elementos o Estructuras ……………………… 351

4.4.3. Rigidez de Elementos y Estructuras …………………………………………… 359

4.5. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 361

V. NOCIONES DE SISMOLOGÍA …………………………………………………… 367

5.1. CAUSAS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SISMOS ………………………….. 367

5.2. MEDICIÓN, PREDICCIÓN Y REGISTROS DE LOS SISMOS ……………. 375

5.3. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 379

VI. RESPUESTA SÍSMICA DE SISTEMAS DE UN GRADO DE

LIBERTAD ………………………………………………………………………………… 381

6.1. ECUACIÓN DEL MOVIMIENTO …………………………………………………….. 381

6.2. VIBRACIÓN LIBRE …………………………………………………………………………. 383

6.2.1. Estructuras sin Amortiguamiento …………………………………………….. 383

6.2.2. Estructuras con Amortiguamiento ……………………………………………. 384

6.3. MODELACIÓN DE ESTRUCTURAS SIMPLES ………………………………… 386

6.4. RESPUESTA ELÁSTICA DE UN SISTEMA SIMPLE PARA

UN MOVIMIENTO DE SU BASE …………………………………………………….. 387

6.5. ESPECTRO DE RESPUESTA PARA MOVIMIENTOS

SÍSMICOS ………………………………………………………………………………………. 391

6.5.1. Espectro de Respuesta Elástica …………………………………………………. 391

6.5.2. Efectos del Suelo de Fundación ……………………………………………….. 399

6.5.3. Espectros de Respuesta Inelástica …………………………………………….. 401

6.6 ESPECTROS PARA DISEÑO SISMORRESISTENTE ………………………… 410

6.7. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 414

VII. RESPUESTA SÍSMICA DE SISTEMAS DE VARIOS GRADOS

DE LIBERTAD …………………………………………………………………………… 427

7.1. ECUACIONES DEL MOVIMIENTO PARA UN PÓRTICO

PLANO …………………………………………………………………………………………… 427

7.2. RESPUESTA EN VIBRACIÓN LIBRE. MODOS Y PERÍODOS

DE VIBRACIÓN ……………………………………………………………………………… 430

7.3. RESPUESTA SÍSMICA ELÁSTICA POR SUPERPOSICIÓN

MODAL ………………………………………………………………………………………….. 434

7.4. ESTIMACIÓN DE LOS VALORES MÁXIMOS DE LA RESPUESTA

SÍSMICA. SUPERPOSICIÓN MODAL ESPECTRAL ………………………… 439

7.5. ANÁLISIS SÍSMICO SEGÚN LA NORMA CHILENA

NCh433 Of.96 ………………………………………………………………………………….. 444

7.5.1. Análisis Modal Espectral …………………………………………………………. 444

7.5.2. Análisis Estático …………………………………………………………………….. 451

7.6. RESPUESTA SÍSMICA INELÁSTICA ………………………………………………. 462

7.7. RESPUESTA SÍSMICA DE ESTRUCTURAS TRIDIMENSIONALES.

EFECTO DE LA TORSIÓN EN PLANTA …………………………………………. 462

7.7.1. Planteamiento del Problema ……………………………………………………. 462

7.7.2. Respuesta Sísmica Tridimensional ……………………………………………. 466

7.7.3. Consideración de la Torsión Sísmica en la Norma NCh433 ………….. 467

7.8. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 472

VIII. ESTRUCTURACIÓN Y DISEÑO SISMORRESISTENTE DE

ESTRUCTURAS 489

8.1. TIPOS DE ESTRUCTURACIÓN PARA LA EDIFICACIÓN EN

ALTURA …………………………………………………………………………………………. 489

8.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DIFERENTES TIPOS

DE ESTRUCTURACIÓN …………………………………………………………………. 492

8.3. REQUISITOS DE REGULARIDAD ESTRUCTURAL ……………………….. 493

8.4. DISEÑO DE ELEMENTOS NO INTENCIONALMENTE

ESTRUCTURALES ………………………………………………………………………….. 494

8.5. SEPARACIONES DE EDIFICIOS O DE PARTES INDEPENDIENTES

DE UN MISMO EDIFICIO ……………………………………………….. 495

8.6. SISTEMAS SIN DIAFRAGMA RÍGIDO. FUNCIÓN DE LAS

CADENAS ………………………………………………………………………………………. 496

8.7. DAÑOS SÍSMICOS Y REPARACIONES …………………………………………… 498

8.8. EJERCICIOS PROPUESTOS …………………………………………………………….. 499

APÉNDICES ………………………………………………………………………………………. 503

APÉNDICE A …………………………………………………………………………………………… 503

APÉNDICE H …………………………………………………………………………………………… 525

APÉNDICE M ………………………………………………………………………………………….. 529

APÉNDICE V …………………………………………………………………………………………… 537

ÍNDICE TEMÁTICO …………………………………………………………………………… 561

BIBLIOGRAFÍA ………………………………………………………………………………….. 565