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ENTRAMADOS, PLACAS Y PLACAS DELGADAS - Coggle Diagram
ENTRAMADOS, PLACAS Y PLACAS DELGADAS
Transferencia de una carga en dos direcciones
Los elementos estructurales hasta ahora vistos son "estructuras resistentes unidimensionales", que transmiten las cargas en una sola dirección a lo largo de su eje.
Estos sistemas unidimensionales, como vigas, cables, arcos, etc., son poco eficientes para cubrir áreas rectangulares, ya que solo la viga situada bajo la carga soporta esfuerzos, mientras las demás permanecen inactivas.
Para cubrir áreas de manera más eficiente, se requiere una "transferencia bidireccional de cargas", que se logra mediante estructuras resistentes bidimensionales, como entramados y placas que actúan en el plano.
A diferencia de las estructuras unidimensionales, las estructuras bidimensionales pueden distribuir las cargas en ambas direcciones del plano, trabajando de manera más eficiente como un todo.
Las estructuras bidimensionales, al dispersar las cargas en dos direcciones, evitan la concentración de esfuerzos que se produce en los sistemas unidimensionales.
Ejemplos de estructuras bidimensionales son los entramados, las placas y las láminas, que pueden utilizarse para cubrir áreas de manera más práctica y económica que las soluciones unidimensionales.
La adopción de una transferencia bidireccional de cargas, mediante estructuras resistentes en dos dimensiones, representa una evolución hacia soluciones más eficientes y apropiadas para cubrir áreas.
Entramados rectangulares
Cuando se colocan dos vigas simplemente apoyadas, perpendiculares entre sí, y se aplica una carga concentrada en su intersección, la carga se transfiere en dos direcciones a los apoyos extremos de ambas vigas.
Si las dos vigas son idénticas, cada una soportará la mitad de la carga, reduciendo a la mitad las reacciones de apoyo en comparación con una transmisión unidireccional.
Cuando las vigas tienen diferente longitud o rigidez, la viga más rígida absorberá una parte mayor de la carga, provocando que la distribución de cargas entre las dos vigas no sea igual.
Para lograr una transferencia eficiente en dos direcciones cuando las longitudes de las vigas son desiguales, la viga más larga debe tener una sección más rígida (mayor momento de inercia) para compensar su menor rigidez.
La disposición de una serie de cargas concentradas sobre vigas perpendiculares también permite una transferencia bidireccional de cargas, donde la viga central tiende a soportar más carga que las laterale
Los entramados de vigas perpendiculares permiten una transferencia de cargas en dos direcciones en cualquier punto de intersección, con la posibilidad de una acción recíproca entre ambos sistemas de vigas.
Las conexiones rígidas entre las vigas de un entramado introducen efectos de torsión, aumentando la rigidez global del sistema en comparación con vigas simplemente apoyadas.
Los sistemas de entramados rectangulares pueden diseñarse con relaciones espesor/luz más favorables que las vigas simples, lo que se traduce en ahorros estructurales, aunque las conexiones suelen encarecer estos sistemas.
Entramados oblicuos
Las ventajas de los entramados oblicuos son dobles:
En áreas rectangulares con un lado mucho más largo que el otro, las luces de las vigas del entramado oblicuo no son muy diferentes, lo que mejora la acción bidireccional.
Las vigas en los vértices del rectángulo son más cortas y rígidas, brindando un apoyo más resistente a las vigas que las cruzan.
Los apoyos rígidos en los vértices provocan una inversión de la curvatura en las vigas más largas, comportándose como si estuvieran empotradas en los extremos, en lugar de simplemente apoyadas.
El uso de entramados oblicuos, donde las vigas no son paralelas a los lados del rectángulo, puede lograr una economía adicional en el espesor de los pisos y en los costos totales de un edificio.
Una viga con extremos empotrados sometida a cargas uniformes tiene una capacidad superior en un 50% a la de una viga idéntica simplemente apoyada.
Los entramados oblicuos, gracias a este efecto de empotramiento en los apoyos, pueden lograr relaciones de espesor a luz del orden de 1 a 40 e incluso 1 a 60, lo que representa una mayor eficiencia estructural.
La mayor eficiencia de los entramados oblicuos, con apoyos rígidos en los vértices, se traduce en un ahorro tanto en el espesor de los pisos como en los costos t
Acción de placa
Una placa o losa puede considerarse como un entramado de vigas infinitesimales dispuestas en cualquier dirección, de modo que toda franja de la placa puede trabajar como una viga en esa dirección.
Cuando se aplica una carga a la placa, se produce tanto flexión (en dos direcciones) como torsión en los diferentes puntos de la misma, debido a la acción recíproca de las franjas perpendiculares.
La acción bidireccional de los entramados de vigas se debe a la unión puntual de los dos sistemas de vigas en sus intersecciones. Este efecto se acentúa más cuando los agujeros del entramado se tapan con losas o placas, conformando una estructura casi monolítica.
La transferencia de una carga concentrada en una placa implica la activación de mecanismos de flexión, corte y torsión en las vigas ficticias que conforman la placa, distribuyendo la carga en dos direcciones.
La placa es capaz de desarrollar tensiones de torsión de manera uniforme, a diferencia de los entramados de vigas, lo cual contribuye significativamente a su capacidad de carga.
Las líneas isostáticas (direcciones principales de tensión) permiten concebir a la placa como un entramado de vigas curvas perpendiculares entre sí, sin transmisión de esfuerzos cortantes.
Las placas muestran un comportamiento similar a los entramados rectangulares, perdiendo eficiencia bidireccional cuando la relación de lados es muy elevada.
Las placas con bordes empotrados se comportan como entramados rectangulares de vigas con extremos empotrados, siendo más rígidas que las simplemente apoyadas.
Estructuras de placa
Las placas anulares, con apoyo circular exterior e interior, pierden eficiencia bidireccional cuando la luz radial es pequeña en comparación al radio medio.
Las placas pueden apoyarse en columnas, requiriendo diseño especial para evitar el "punzonamiento" en la unión placa-columna, usando capiteles o conectores de corte.
Las placas pueden tener bordes de diferentes formas (circular, oblonga, poligonal), con comportamientos estructurales similares a las placas cuadradas inscritas o circunscritas.
Las placas ofrecen ventajas constructivas, como superficies inferiores lisas que facilitan la instalación de servicios, y permiten técnicas de construcción más eficientes, como el "lift-slab".
Las placas rectangulares pueden apoyarse en más de un borde, como en el caso de edificios de oficinas, donde se apoyan en muros exteriores y en un "núcleo interno" con servicios.
Las placas de hormigón armado se adaptan bien a la prefabricación de paneles, mejorando la productividad y la economía de la construcción.
Las condiciones de apoyo de las placas pueden variar en cada uno de sus lados:
Placas con dos lados adyacentes simplemente apoyados y los otros dos sin apoyo, que pueden resistir cargas por torsión.
Placas con dos lados empotrados y los otros dos sin apoyo, donde predomina la acción de flexión.
Placas con dos lados paralelos simplemente apoyados y dos empotrados, donde la mayor rigidez de los lados empotrados compensa la relación de lados.
Las placas inclinadas se utilizan en cubiertas y elementos especiales, combinando la acción de placa con compresión o tracción según su pendiente.
Placas nervuradas
La eficiencia estructural de las placas se ve limitada por la distribución lineal de tensiones a lo largo de su espesor, donde solo las fibras superior e inferior trabajan a máxima tensión.
Las placas nervuradas combinan las ventajas de continuidad de la losa con el mayor espesor y rigidez de las nervaduras, aunque la superficie inferior no es lisa.
Una solución económica para luces pequeñas son las losas mixtas de hormigón armado y material cerámico (ladrillos o bloques), donde los cerámicos sirven como encofrado perdido para las nervaduras de hormigón.
En los edificios de acero, se usan losas de hormigón vertido in situ sobre una cubierta metálica que actúa como refuerzo a tracción y aporta nervaduras a la losa.
Las nervaduras pueden seguir las líneas isostáticas de la placa, lo que mejora su eficiencia, aunque requiere encofrados más complejos.
Existen otras soluciones como las placas "sándwich" de materiales compuestos, y el uso de nervaduras en placas de acero o aluminio para aumentar su resistencia al pandeo.
Reserva de resistencia en las placas
La redistribución de tensiones en placas es más eficiente que en vigas:
En placas, las tensiones máximas se concentran en pocos puntos, permitiendo que otras secciones menos solicitadas vayan alcanzando el límite de fluencia progresivamente.
Esto genera la formación de líneas de articulación, convirtiendo a la placa en un mecanismo móvil cuando se alcanzan suficientes líneas.
La reserva de resistencia de una placa cuadrada simplemente apoyada puede llegar al 80%, frente al 50% de una viga simplemente apoyada.
La restricción al desplazamiento longitudinal de los extremos de una viga genera una "acción de cable" que aporta resistencia adicional, lo cual no ocurre en placas con lados simplemente apoyados.
Las estructuras bidimensionales como las placas tienen una elevada reserva de resistencia, proveniente de dos fuentes:
La redistribución de tensiones a lo largo de las diferentes secciones de la placa.
La acción de membrana que se desarrolla en la placa.
Las placas adoptan formas no desarrollables bajo carga, lo que implica que su plano medio debe estirarse, generando tensiones de membrana capaces de resistir cargas.
Las placas son estructuras resistentes bidimensionales, ya que para definir la ubicación de una sección se necesitan dos magnitudes (las distancias a los lados).
La acción de membrana se desarrolla incluso con lados simplemente apoyados, pero es sustancialmente mayor cuando los lados se encuentran empotrados.
A medida que la placa alcanza el límite de flexión, va desarrollando progresivamente la acción de membrana, lo que le confiere una gran reserva de resistencia dada su bidimensionalidad.
Placas plegadas
Las placas plegadas se pueden construir en materiales como madera, acero, aluminio u hormigón armado. Las de hormigón armado son económicas por simplificar el encofrado.
La acción de la placa plegada combina el comportamiento de vigas transversales y longitudinales:
Las losas individuales desarrollan acción de viga unidireccional en su ancho.
Las reacciones en los pliegues se transmiten a los pórticos extremos a través de las losas actuando como vigas de gran altura.
Dos placas que forman ángulo equivalen a una viga rectangular con altura igual a las placas y ancho igual a la suma de sus anchos horizontales.
En techos uniformemente cargados con muchas placas plegadas, las losas internas se comportan como vigas continuas sobre apoyos rígidos, mientras las externas absorben mayor carga por flexión transversal.
Otra forma de incrementar la eficiencia es el plegado de la placa, que aleja el material del plano medio, aumentando el brazo de palanca de las tensiones de flexión.
Para evitar tensiones excesivas en las losas externas, se pueden agregar vigas de borde verticales.
La eficiencia estructural de las placas puede aumentarse al reforzarlas con nervaduras, eliminando parte del material cerca del plano neutro sin tensiones.
Incluso una simple hoja de papel plegada adecuadamente puede resistir cargas importantes, demostrando el principio de la placa plegada.
Las placas plegadas se utilizan principalmente en estructuras de techo, pero también pueden aplicarse a pisos y muros, aprovechando su espesor.
Estructuras espaciales
Los sistemas de grillas oblicuas o rectangulares pueden utilizarse para cubrir grandes áreas, reemplazando las ménsulas por vigas. Sin embargo, esto reduce la capacidad de carga debido a la menor resistencia al giro de las ménsulas.
Al conectar los extremos de las ménsulas paralelas y perpendiculares con barras oblicuas, como sugirió Alexander Graham Bell, se obtiene un aumento considerable de la acción de pandeo de estos techos.
Estos sistemas de ménsulas se convierten en retículas espaciales, cuyo comportamiento es similar al de placas gruesas hechas de material esponjoso, en lugar de un comportamiento de grilla.
Las estructuras espaciales triangulares, llamadas estructuras espaciales, se utilizan comúnmente como estructuras de techo para cubrir grandes áreas. Están formadas por un gran número de barras idénticas de diferentes longitudes, lo que les da un aspecto estético.
La ménsula Takenaka es un ejemplo eficiente de estructura espacial, con barras de compresión en una cuadrícula superior, diagonales inclinadas y barras de tensión en la cuadrícula inferior.
La ménsula Takenaka es estáticamente determinada, a diferencia de otras estructuras espaciales, que son estáticamente indeterminadas y pueden diseñarse con diferentes grados de redundancia.
Las estructuras espaciales pueden construirse con proporciones de profundidad a altura de hasta 18 metros, gracias a su capacidad de giro.