Diseo de edificios habitacionales y de oficinasRicardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniera Civil, Universidad de ChileSantiago, ChileMarzo de 2007Elaboracin, guin y locucin a cargo del Dpto. de Ingeniera Civil de la Universidad de Chile con coordinacin del Ing. Ricardo Herrera

CONTENIDODiseo de edificios habitacionales y de oficinasIntroduccin

Componentes

Sistemas estructurales

Consideraciones de diseo

CARACTERISTICAS1.IntroduccinEstructura repetitiva en altura

Relaciones alto/base moderadas a altas

Maximizacin del espacio til

Minimizacin del costo de construccin

SOLICITACIONES1.IntroduccinPeso propio

Sobrecargas permanentes

Sobrecargas de uso

Viento

Sismo

ESTRUCTURATIPICA2. ComponentesLosaFundacinEstructura

FUNDACIONES2. Componentes

LOSA2. Componentes

ESTRUCTURA2. Componentes

2. ComponentesVigasESTRUCTURA

2. ComponentesColumnasESTRUCTURA

2. ComponentesArriostramientosESTRUCTURA

3. Sistemas estructuralesINTRODUCCIONPisos

3. Sistemas estructuralesMarcos resistentes a momento

Marcos arriostrados concntricamente

Marcos arriostrados excntricamenteEDIFICIOS DE ALTURABAJA Y MEDIA

3. Sistemas estructuralesMarcos resistentes a momentoColumnasVigasEDIFICIOS DE ALTURABAJA Y MEDIA

3. Sistemas estructuralesMarcos arriostrados concntricamenteArriostramientoEDIFICIOS DE ALTURABAJA Y MEDIA

3. Sistemas estructuralesMarcos arriostrados excntricamenteArriostramientoLinkEDIFICIOS DE ALTURABAJA Y MEDIA

3. Sistemas estructuralesMarcos mixtosEDIFICIOS DE ALTURABAJA Y MEDIANcleo de hormignVano arriostradoMarco rgido

EDIFICIOS ALTOS3. Sistemas estructuralesSistema de muros

Sistema de ncleo

Sistema de marco mixto

Sistema de tubo

EDIFICIOS ALTOS3. Sistemas estructuralesSistema de muros

EDIFICIOS ALTOS3. Sistemas estructuralesSistema de ncleo

EDIFICIOS ALTOS3. Sistemas estructuralesSistema de marco mixto

EDIFICIOS ALTOS3. Sistemas estructuralesSistema de tubo

4. Consideraciones de diseoEstructuracin.Definicin de solicitaciones a considerar.ModelamientoSeleccin preliminar de elementos.Anlisis.Evaluacin.ETAPAS

4. Consideraciones de diseoESTRUCTURACION

4. Consideraciones de diseoTransmisin de carga verticalESTRUCTURACION(a)(b)(c)Viga detransferenciaTirantesColumna

4. Consideraciones de diseoTransmisin de carga horizontalESTRUCTURACIONPisos

4. Consideraciones de diseoCargas muertas.Cargas vivas estticas.Cargas vivas mviles.Impacto.Nieve.Viento.Sismos.Otros.SOLICITACIONES

4. Consideraciones de diseoExperiencia previaMtodos aproximados de solucinMtodo del portal (edificios bajos)Mtodo del voladizo (edificios altos)Mecanismo de fallaDIMENSIONAMIENTOPRELIMINARP

4. Consideraciones de diseoAnlisis lineal elstico

Anlisis no linealEfectos de 2 ordenNo linealidad del material

Anlisis plsticoANALISIS

4. Consideraciones de diseoComportamiento global:Cdigos de construccin localLimitacin de deformaciones a nivel de servicio y ltimoLimitacin de esfuerzos en elementosComportamiento localEspecificaciones de diseo de elementos (AISC, AISI, etc.)ResistenciaEVALUACION

4. Consideraciones de diseoRecomendaciones (Gua de diseo 5 AISC)Espaciar las vigas al mximo practicableMinimizar las conexiones de momento y de diagonales de arriostramientoECONOMIAVanos marco rgidoo arriostrado

4. Consideraciones de diseoRecomendaciones (Gua de diseo 5 AISC)Privilegiar el uso de acero de mayor resistenciaUsar pocos tamaosUtilizar las reducciones de la carga vivaECONOMIA

*Diseo de edificios habitacionales y de oficinas.*Este captulo presenta los aspectos principales relacionados con el diseo de edificios destinados a uso habitacional o de oficinas. El captulo parte con una descripcin de las caractersticas principales de este tipo de edificios y de las solicitaciones que normalmente deben considerarse. Luego se describen las componentes principales de estos edificios. A continuacin se presentan los diferentes sistemas estructurales que se utilizan para proveer la necesaria resistencia y rigidez ante las solicitaciones. Finalmente se entregan algunas consideraciones de diseo de este tipo de edificios.*Los edificios habitacionales o de oficinas presentan ciertas caractersticas comunes, entre las que podemos mencionar:Se trata de estructuras que se repiten en altura, organizadas en niveles llamados pisos. El proceso constructivo sigue la misma secuencia para cada piso.Normalmente se ubican en terrenos urbanos de tamao limitado a los que el mandante (inmobiliaria) trata de sacar el mayor provecho. Por eso resultan edificios cuya altura supera sus dimensiones en planta.La inmobiliaria privilegia la disponibilidad de espacio libre, por lo que la estructura se trata de mantener al mnimo posible.Los plazos de construccin no son tan apremiantes como en el caso de edificios industriales y se privilegia la disminucin de los costos de construccin, tratando de optimizar el uso de los materiales.*Un edificio habitacional o de oficinas debe resistir los efectos combinados de las cargas horizontales y verticales. Por estar ubicados normalmente en zonas urbanas, estos edificios estn sometidos principalmente a peso propio y sobrecargas permanentes y de uso como cargas verticales. Dependiendo de la zona geogrfica en que est ubicado y de las dimensiones del edificio, las cargas de viento y sismos pueden ser las que controlen el diseo contra solicitaciones horizontales.*La composicin tpica de un edificio habitacional o de oficinas incluye los elementos estructurales siguientes:FundacionesEstructuraLosas*Las fundaciones se realizan con hormign armado. El tipo de fundacin se selecciona conforme a las caractersticas y condiciones del terreno.La figura muestra los tipos de fundaciones ms habituales:Las Zapatas, en las que bajo cada pilar se coloca una base individual de hormign en masa o armado, es la opcin ms sencilla, para suelos con resistencia suficiente.Para cargas mayores, o suelos peores, las zapatas deben conectarse para formar una zapata corrida o losa. Este sistema tambin puede proporcionar mejor resistencia al agua.Como alternativa, cuando las condiciones del suelo son deficientes, la capacidad de carga de las zapatas (corridas) puede aumentarse instalando pilotes para crear, respectivamente, encepados o losas apilotadas.*Las losas deben resistir las cargas verticales que actan directamente sobre ellas. Normalmente se apoyan en vigas de acero secundarias que a su vez son soportadas por vigas principales. La separacin de las vigas de apoyo debe ser compatible con la resistencia de las losa. La losa puede ser de hormign prefabricado, hormign in situ o losas mixtas con plancha de acero plegada. Las losas tambin actan como diafragmas rgidos que transmiten las cargas horizontales a la estructura.

*La estructura de acero proporciona resistencia a las cargas y soporta los elementos secundarios tales como la losa y tabiquera. Su funcin es transmitir las cargas externas, tanto verticales como horizontales, a la fundacin. Se compone principalmente de elementos verticales (columnas) y elementos horizontales (vigas), que pueden estar conectados de diferentes maneras. Si las vigas est unidas a las columnas a travs de conexiones articuladas, el sistema estructural debe incorporar elementos de arriostramiento lateral en los planos rectangulares acotados por columnas y vigas, para proveer la rigidez y resistencia lateral necesarias.*Las vigas soportan las losas y transmiten sus cargas verticales a las columnas. En una estructura tpica de edificio rectangular, las vigas comprenden los elementos horizontales que se extienden entre columnas adyacentes; pueden utilizarse asimismo vigas secundarias para transmitir las cargas de la losa a vigas principales.Las formas de seccin ms comunes para las vigas son las formas en I laminadas en caliente o en H. En algunos casos pueden utilizarse tambin perfiles C (simple o doble). Cuando es necesario un mayor canto pueden utilizarse perfiles compuestos. Las vigas armadas pueden tener forma simtrica doble o asimtrica, siendo preferible la primera para perfiles mixtos de acero-hormign. Combinando planchas y/o perfiles, pueden componerse perfiles en cajn o perfiles abiertos. A veces son necesarias aperturas en las almas de las vigas para permitir el paso de servicios horizontales, como tuberas (para agua o gas), cables (electricidad y telfono), conductos (climatizacin), etc. Otra solucin a este problema es utilizar vigas alveoladas que se componen soldando dos partes de un perfil en doble T cuya alma ha sido previamente cortada a lo largo de una lnea trapezoidal.*Las columnas transmiten todas las cargas verticales de las losas a las fundaciones. El medio de transmisin de la carga vertical est relacionado con el sistema estructural particular utilizado para la estructura. La ubicacin de las columnas en planta se rige por el plano estructural. La separacin entre columnas depende de la resistencia de las vigas y la losa.Las formas de las secciones utilizadas normalmente para columnas pueden subdividirse en secciones abiertas y secciones huecas. Las secciones abiertas son bsicamente perfiles en I y en H laminados en caliente o soldados. Las secciones en forma de cruz pueden obtenerse soldando perfiles en L, planchas o perfiles en doble T. Las secciones huecas son tubos de seccin circular, cuadrada o rectangular. Pueden tambin formarse soldando planchas o perfiles en doble T. Las secciones huecas circulares y cuadradas presentan la ventaja de que tienen la misma resistencia en las dos direcciones principales, lo que permite obtener secciones de dimensiones mnimas.*El objetivo principal de un sistema de arriostramiento es proporcionar estabilidad lateral a toda la estructura. Por tanto, debe resistir todas las cargas laterales debidas a las fuerzas externas, por ejemplo viento, deformacin impuesta, por ejemplo temperatura, terremotos y los efectos de las imperfecciones sobre el arriostramiento simple. En una estructura arriostrada, el sistema de arriostramiento debe, adems, ser suficientemente rgido para que no sea necesario tener en cuenta los efectos de segundo orden al realizar el anlisis.*Existe una amplia gama de sistemas estructurales disponibles para resistir cargas horizontales y verticales. De acuerdo a la altura del edificio, existen sistemas estructurales ms adecuados que otros, como lo muestra la figura.*Podemos agrupar los sistemas estructurales de acero utilizados para edificios de altura baja y media para resistir cargas laterales en tres grupos principales:Marcos rgidos o resistentes a momentoMarcos arriostrados con diagonales concntricasMarcos arriostrados con diagonales excntricas*Los marcos resistentes a momento soportan las cargas aplicadas principalmente a travs de la flexin de sus elementos. Debido a ello, presentan grandes desplazamientos laterales y su diseo normalmente est controlado por deformacin en lugar de resistencia. Vigas y columnas estn conectadas a travs de uniones que transmiten momento y corte.La principal ventaja de este sistema estructural es el espacio libre ya que no es necesario incluir arriostramientos que bloquean espacios entre columnas.Las principales desventajas de este tipo de sistema son:La complejidad de las conexiones que deben transmitir momento, corte y esfuerzo axial.La interaccin entre fuerzas axiales y momentos flectores, crtica para el diseo de las columnas.La significativa deformacin lateral de la estructura, ya que depende solamente de la inercia de vigas y columnas.*Los marcos arriostrados concntricamente obtienen su rigidez y resistencia lateral principalmente de las diagonales de arriostramiento. Son sistemas ms rgidos, pero de ductilidad menor que los marcos a momento, debido a que el pandeo de las diagonales en compresin es inevitable, y este estado lmite tiene una ductilidad muy limitada. Vigas y columnas se consideran como elementos sometidos a esfuerzo axial principalmente.Las principales ventajas de este sistema estructural son:Los detalles de conexin son muy simples, ya que actan como rtulas.La deformacin transversal de la estructura est limitada por el sistema de arriostramiento.La interaccin entre fuerzas axiales y momentos flectores en la columna es prcticamente inexistente.Las mayores desventajas de este sistema tienen que ver con la susceptibilidad al pandeo de las diagonales de arriostramiento y complicaciones en las fundaciones de los arriostramientos que deben resistir las fuerzas totales horizontales con una cantidad muy pequea de compresin axial. Se producen altos valores de excentricidad que requieren grandes dimensiones en el rea de contacto debajo de las fundaciones.*Los marcos arriostrados excntricamente obtienen su rigidez y resistencia a cargas laterales de sus arriostramientos y del link que se forma al separarlos. Los arriostramientos estn sometidos a esfuerzo axial, mientras que el link se deforma principalmente en corte. Se ha observado que la falla en corte puede proveer una alta ductilidad si los elementos sometidos a corte estn apropiadamente diseados y delimitados.*Una solucin ms ptima se obtiene mediante el uso de dos sistemas estructurales diferentes en el mismo edificio, es decir:Marcos semirrgidos o articulados, que resisten solamente las acciones verticales.Arriostramientos de acero o paredes y ncleos de hormign, que resisten las acciones horizontales.Ambos sistemas se conectan mediante las losas que proporcionan un diafragma rgido en cada piso. La principal ventaja de esta solucin es que permite unificar las formas de todas las vigas independientemente del nivel del piso.*Para los edificios de gran altura (hasta 120 pisos) se utilizan diferentes sistemas estructurales segn la altura: hasta 30 plantas, sistemas de muros o ncleo de hormign. de 30 a 60 plantas, sistemas de marco mixto. ms de 60 plantas, sistemas de tubo.*El sistema de muros portantes est formado por elementos verticales planos que conforman todos o parte de los muros exteriores e interiores. Resisten las cargas verticales y horizontales y son, principalmente, realizados en hormign.*El sistema de ncleo est formado por muros de carga, generalmente situados muy prximos unos de otros, donde se suelen agrupar los sistemas de transporte vertical (escalas y ascensores). Esta disposicin permite flexibilidad en el uso del espacio del edificio fuera del ncleo. El ncleo puede resistir cargas verticales y horizontales. En la figura se muestran algunos ejemplos de este sistema donde hay un ncleo central desde el cual se suspenden o prolongan en voladizo las losas. Es posible tambin tener ms de un ncleo en la estructura, conectados a travs del diafragma rgido. Una aplicacin relativamente comn consiste en la combinacin de un ncleo para resistir las cargas laterales y un marco de acero alrededor para resistir las cargas verticales, donde las vigas estn conectadas a las columnas con uniones rotuladas y no hay diagonales de arriostramiento.*El sistema de marcos est compuesto de columnas, vigas y losas dispuestas para resistir las cargas verticales y horizontales. El marco mixto consiste en la combinacin del sistema de marcos rgidos con muros y ncleos de hormign o con arriostramientos de acero.*El sistema de tubo se caracteriza por elementos estructurales exteriores poco separados, proyectados para resistir fuerzas laterales en conjunto, ms que como elementos separados. Esquemas alternativos pueden incluir tubos arriostrados y tubos porticados. Aparte del tubo simple, pueden utilizarse tambin soluciones de tubo en tubo. Estos sistemas permiten una mayor flexibilidad en el uso del espacio interior debido a la ausencia de pilares interiores. Otro tipo de solucin es utilizar un grupo de tubos.*Podemos dividir el proceso de diseo para edificios habitacionales y de oficina en las siguientes etapas:Estructuracin: definicin de los sistemas estructurales y ubicacin de los elementos estructurales para resistir las solicitaciones horizontales y verticalesDefinicin de solicitaciones: Basada en la ubicacin geogrfica, condiciones de terreno y clima, y uso de la estructura.Modelamiento: expresin de la estructuracin en un modelo adecuado para el anlisis.Seleccin preliminar de elementos: dimensionamiento preliminar necesario para el paso siguienteAnlisis: anlisis de la estructura para determinar esfuerzos en los elementos y deformaciones.Evaluacin: comparacin de la respuesta de la estructura, segn los resultados del anlisis, con las limitaciones de diseo.Normalmente ser necesario repetir los dos ltimos pasos, ajustando las dimensiones de los elementos estructurales para cumplir con las restricciones de diseo.*La disposicin estructural o estructuracin de los edificios habitacionales o de oficinas normalmente se inspira en la forma de la planta del edificio, dando como resultado soluciones diferentes. Se muestran algunas plantas tipo utilizadas en este tipo de edificacin.*La transmisin de las cargas verticales puede producirse directamente desde las vigas a las columnas (figura a) o indirectamente.En la transmisin indirecta se utilizan vigas de transferencia principales (figura b), que resisten todas las cargas transmitidas por las columnas superiores.En los sistemas suspendidos (figura c), la transmisin de las cargas verticales se realiza mediante barras de traccin (tirantes) colgadas de las vigas superiores que soportan la carga vertical total de todos los pisos. Un nmero limitado de grandes columnas transmiten la carga total a las fundaciones.*La eleccin del sistema de transmisin de las cargas laterales a la fundacin estar principalmente regida por la altura del edificio.*La eleccin de las solicitaciones debe hacerse considerando la ubicacin, condiciones del suelo, clima y usos del edificio. La determinacin de las cargas o los efectos sobre el edificio debido a las solicitaciones consideradas se rige por los cdigos locales de construccin de cada pas.*Los edificios habitacionales y de oficinas son estructuras hiperestticas. Por lo tanto, para poder encontrar los esfuerzos y deformaciones de la estructura es necesario tener propiedades de los elementos estructurales de antemano. Para el dimensionamiento preliminar de los elementos estructurales existen varias posibilidades:La primera es considerar la experiencia previa en este tipo de edificios, lo que puede entregar un orden de magnitud de las dimensiones usuales de vigas, columnas, arriostramientos, etc. para edificios similares.La segunda posibilidad es utilizar alguno de los mtodos aproximados para resolver estructuras tipo marco de varios niveles. En estos mtodos lo que se hace es estimar la ubicacin de los puntos de inflexin de los elementos estructurales y hacer algunas suposiciones sobre la distribucin del corte o el esfuerzo axial en las columnas. Los ms utilizados son el mtodo del portal y el mtodo del voladizo. El primero, como su nombre lo indica, es ms adecuado para edificios de poca altura con relaciones alto/base moderadas a bajas. El segundo es aplicable a edificios esbeltos de mayor altura. Los detalles de estos mtodos son parte del contenido de cursos de anlisis estructural y pueden encontrarse en gran parte de los libros dedicados a este tema.Otra opcin es hacer un anlisis del mecanismo de colapso de la estructura, suponiendo alguna relacin entre los mdulos plsticos de vigas y columnas. Este es un mtodo un poco ms complejo que, sin embargo, entrega una visin sobre la capacidad y la forma de falla de la estructura. Por lo mismo, tambin se utiliza para evaluar el diseo.*Existen asimismo varios tipos de anlisis que se pueden llevar a cabo y que tienen diferente grado de complejidad.El ms sencillo y ms usado es el anlisis lineal elstico en que todos los elementos se comportan en forma elstica y se considera el equilibrio de la estructura en la posicin no deformada. Es el tipo de anlisis que cualquier programa de anlisis estructural nos permite llevar a cabo.Luego podemos realizar un anlisis considerando los efectos no lineales, los que pueden estar asociados a efectos de 2 orden (P-Delta) o al comportamiento no lineal del material. La mayora de los programas de anlisis estructural nos permiten considerar, al menos en forma aproximada, los efectos de 2 orden.Por ltimo, podemos realizar un anlisis plstico de la estructura, el cual nos entregar la capacidad y la demanda de deformaciones inelsticas en los elementos. El obtener deformaciones totales en este caso es complicado.*Para evaluar el diseo resultante, se utilizan los resultados del anlisis. Estos resultados se comparan con valores admisibles, tanto a nivel local como a nivel global.En el caso del comportamiento global, los cdigos de construccin de cada pas establecen lmites a las deformaciones en la estructura para el nivel de servicio y el nivel de diseo. En algunos casos, se establecen lmites en los esfuerzos en los elementos para prevenir comportamientos no deseados.A nivel local, las especificaciones de diseo de elementos establecen la resistencia provista por estos, la que se compara con la demanda obtenida de los resultados del anlisis.El cumplimiento de los requisitos de diseo determinar si es necesario modificar el diseo.*Se presentan a continuacin algunas recomendaciones de estructuracin que redundan en economas de costo para edificios habitacionales y de oficinas.Las vigas deben espaciarse lo ms que sea prcticamente posible, de modo de disminuir la cantidad de vigas en el edificio. El costo de una viga depende del costo del material, el costo de fabricacin y el costo de ereccin. Estos dos ltimos costos son relativamente independientes del tamao de la viga, por lo que la gran diferencia estar en la cantidad de material requerido.La fabricacin de conexiones de momento y conexiones entre diagonales de arriostramiento y la estructura es significativamente ms cara que la de conexiones de corte. Por lo tanto, es recomendable limitar en pocos vanos dentro de la estructura este tipo de conexiones.*Se debe privilegiar el uso de materiales de ms alta resistencia, debido a que su relacin costo/resistencia es mejor que para materiales de resistencia menor. Debe tenerse cuidado, eso s, con aquellos casos en que el uso de aceros de ms alta resistencia no significan una mejora (por ejemplo, si el diseo est controlado por deformacin) o puede incluso ser perjudicial (por ejemplo, secciones que dejan de ser compactas al usar aceros de mayor resistencia).Usar pocos tamaos de viga y columna significa una disminucin en los diferentes tipos de detalle, lo que disminuye costos de fabricacin y ereccin.Utilizar las reducciones de la carga viva permitidas por las distintas especificaciones puede significar un pequeo ahorro por viga. Sin embargo, cuando se considera que las vigas son los elementos ms numerosos en la estructura, la suma total de esos pequeos ahorros puede ser significativa.