Armaduras - Nota: 9.5 PDF

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Tipos de armaduras y ejemplos...

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21-NOV-2019

CENTRO DE ENSEÑANZA TECNICA INDUSTRIAL

ARMADURAS ESTATICA

MANUEL ELEAZAR GUZMAN GUTIERREZ 19310089 R1 INGENIERIA CIVIL SUSTENTABLE

Introducción Grandes estructuras como: edificios, puentes, estadios, deben resistir enormes fuerzas y momentos debido a su peso y a las cargas externas a las que son sometidas. Para soportar esas fuerzas y momentos, en el campo de la ingeniería se diseñan estructuras como armaduras; ya sean estas de distinto material y tamaño, las mismas que deben soportar los esfuerzos a los que estén sometidos. Toda edificación, independientemente del uso que tendrá, debe poseer una armadura o como otros prefieren nombrar “un esqueleto” que sostenga a los ocupantes y la misma estructura de la intemperie; es una parte esencial para la estructura y debe tener un comportamiento satisfactorio, además de un buen funcionamiento. Para lograr estas condiciones es necesario conocer cuáles son los tipos y las características de los componentes principales de toda armadura: techos, puentes y estadios. Para un mejor entendimiento de como identificar cualquier estructura y sus características, así como sus aplicaciones se desarrolla una descripción de los componentes básicos de las armaduras, se muestran imágenes de sus aplicaciones detalladamente, así como sus diagramas. No sin antes conocer la de dónde vienen estos conocimientos e incluyendo conceptos básicos para su mejor comprensión.

1. Desarrollo histórico. Se cree que un arquitecto italiano, Andrea Palladio (1518-1580), fue quien analizo y construyó las primeras armaduras. Sus extensas notas sobre arquitectura incluyen descripciones detalladas y dibujos de armaduras de madera bastante similares a las usadas actualmente. En 1570 publicó un tratado en el cual mencionaba la armadura en madera como estructura utilizada en puentes, el uso de este tipo de armadura se popularizó para 1820, cuando el arquitecto estadounidense Ithiel Town patentizó. La armadura de celosía cubiertos a base de ese sistema proliferó por toda la parte oriental de su país. Bajo cargas verticales, la armadura Town ejercía solo fuerzas verticales en los apoyos. Pero, a diferencia de las armaduras modernas, las diagonales, o sistemas de alma, eran construcciones de celosías de madera y las cuerdas estaban compuestas de dos o más tablones también en madera. En 1840 empieza el uso de la armadura de hierro. Los elementos de las primeras armaduras metálicas se unían por medio de pasadores, pero pronto estos dieron paso a las conexiones a bas de placas y roblones. A cada placa se fijaban todos los elementos de una junta. Hacia fines del siglo XIX, el hierro fue siendo sustituido por el acero. En el pasado las armaduras de techo a dos aguas probablemente han sido mas usadas para construcciones de claros cortos y las armaduras de cuerdas paralelas para claros mayores. Sin embargo, la tendencia actual, ya sean claros grandes o pequeñas parecen desentenderse de las armaduras a dos aguas y preferir las cuerdas paralelas debiéndose el cambio a la apariencia desea y quizás a la construcción más económica de las cubiertas. 2. Definición de armadura. La armadura es uno de los principales tipos de estructuras que se usan en la ingeniería. Ésta proporcionada una solución práctica y económica para muchas situaciones de ingeniería, en especial para diseño de puentes y edificios. Una armadura consta de elementos rectos que se conectan en nodos. Los elementos de la armadura solo están conectados en sus extremos; por tanto, ningún elemento continúa más allá de un nodo. La mayoría de las estructuras reales están hechas a partir de varias armaduras unidas entre sí para formar una armadura espacial. Cada armadura está diseñada para soportar aquellas cargas que actúan en su plano y por tanto, pueden

ser tratadas como estructuras bidimensionales. Los elementos de una armadura, por lo general, son delgados y solo pueden soportar cargas laterales pequeñas; por eso todas las cargas deben estar aplicadas en los nodos y no sobre los elementos. Armaduras, la cuales están diseñadas para soportar cargas y por lo general son estructuras estacionarias que están totalmente restringidas. Los elementos de una estructura son elementos sujetos a dos fuerzas, esto es, elementos sobre los cuales actúan dos fuerzas iguales y apuestas que están dirigidas a lo largo del elemento. Una armadura es una configuración estructural de elementos, generalmente soportada solo en sus extremos y formada por una serie de miembros rectos arreglados y conectados uno a otro, de tal manera que los esfuerzos transmitidos de un miembro a otro sean axiales o longitudinales a ellos únicamente; esto es de tensión o compresión. 3. Elementos de la armadura. Una armadura está compuesta por las cuerdas superiores e inferiores y por los miembros del alma. (véase en la imagen 3.1) 3.1 Cuerda superior. La cuerda superior consta de la línea de miembros más alta que se extiende de un apoyo a otro pasando por la cumbrera. Para armaduras triangulares, el esfuerzo máximo en la cuerda superior ocurre generalmente en el miembro contiguo al apoyo. 3.2 Cuerda inferior. La cuerda inferior de una armadura está compuesta por la línea de miembros más baja que va de un apoyo a otro. Como en la cuerda superior, el esfuerzo máximo en la cuerda inferior de armaduras triangulares se establece en el miembro adyacente a apoyo. 3.3 Miembros del alma. Son los miembros que unen las juntas de cuerdas superior e inferior, y depende de sus posiciones se llaman verticales o diagonales. Las verticales soportan corte, proveen puntos de panel adicionales para la introducción de carga y reducen la luz de las cuerdas sometidas a flexión por carga muerta. Cuando están sometidas a compresión, las verticales se llaman a veces puntales, y cuando están sometidas a tensión, péndolas. Por lo general, las cargas del tablero se transmiten a la armadura a través de las conexiones los extremos de las vigas de piso a las verticales.

3.4 Tirantes. En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a tensión. 3.5 Puntales. En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a compresión en los apoyos de armaduras de una luz. 3.6 Junta de talón y Cumbrera. La junta en el apoyo de una armadura triangular se llama junta de talón, y la junta en el pico más alto se llama cumbrera. 3.7 Nudos. Son los puntos en donde se unen los miembros del alma con la cuerda superior e inferior. En armaduras antiguas de luz corta, las cargas vivas generalmente se transmiten mediante el entramado de piso a los puntos de panel de cualquiera de las cuerdas, para minimizar los esfuerzos de flexión en los miembros de la armadura. Los esfuerzos de flexión en los miembros debido al peso propio casi no se tenían en cuenta en el pasado. En armaduras modernas, la flexión debida al peso de los miembros debe considerarse. 3.8 Contravientos. Los contravientos, que se muestran en muchos puentes antiguos de armaduras aun en servicio, son un par de diagonales colocadas en un panel de la armadura, en forma de X, en donde una sola diagonal estaría sometida a inversión de esfuerzos. 3.9 Líneas de trabajo. Las líneas de trabajo son las líneas rectas entre las intersecciones de los miembros de la armadura. Para evitar esfuerzos de flexión por excentricidad, los ejes centroides de los miembros de la armadura, deben coincidir con las líneas de trabajo. 3.10 Tablero. El tablero es el elemento estructural que provee apoyo directo a las cargas de vehículos. Cuando está localizado cerca de las cuerdas inferiores (luces de paso inferior), deben ser soportado por sólo dos armaduras. 3.11 Vigas de piso. Las vigas de piso deben colocarse perpendicular o transversalmente a la dirección del tráfico. Estas y sus conexiones deben diseñarse para transmitir las cargas del tablero a las armaduras. 3.12 Largueros. Los largueros son vigas longitudinales, colocadas en forma paralela a la dirección del tráfico. Se usan para transmitir las cargas del tablero a las vigas de piso. Si no se usan largueros, el tablero debe diseñarse para transmitir las cargas vehicularas a las vigas de piso.

Figura 3.1 Partes de una armadura (armadura tipo Howe) 4. Tipos de armaduras. Las armaduras se clasifican según la forma en que se combinen los diferentes sistemas de triangulación y frecuentemente toman el nombre de primer ingeniero que se ha empleado ese tipo particular de Armadura. Las armaduras también pueden tomar nombre según su aplicación, tales como las de carretera, de ferrocarril o de techo. 4.1 Tipos de armaduras para techo. 4.1.1 Armadura Pratt. La armadura tipo Pratt se caracteriza por tener las diagonales perpendiculares a la cuerda superior y la cuerda inferior en tensión. Es una de las armaduras más empleadas para techos. La armadura tipo Pratt se adapta mejor a construcción de acero que de madera. A comparación con la armadura tipo Howe que es usada comúnmente en construcción de madera. Como se muestra en la figura 4.1

Figura 4.1 (Armadura tipo Pratt)

Foto 1 Armadura tipo Pratt (empleado en invernadero)

Esta armadura tipo Pratt es utilizada en un invernadero que soporta un techo de lámina translucida, largueros CF, las armaduras están soportadas por perfiles de sección en caja, y los nudos

están

atornillados

a

placas. 4.1.2 Armadura Howe. La armadura tipo Howe es la inversa de la Pratt. Tiene la ventaja de que para cargas livianas las cuales pueden revertirse como la carga de viento, funciona de manera similar a la primera. Además, resulta que la cuerda en tensión presenta una mayor fuerza que la fuerza que se produce en la cuerda en compresión en la mitad del claro, para cargas verticales convencionales. Es usada mayormente en construcción de madera. (Como ejemplo están las figuras 4.2 y 4.3). (foto 5). 4.1.3 Armadura Warren. La armadura Warren tiene la ventaja de que loso elementos en compresión y tensión en el alma de la armadura tienen igual longitud, resultando en una razón

Figura 4.2 Armadura tipo Howe

Figura 4.3 Armadura tipo Howe (cuerdas paralelas).

peso-claro muy ventajosa en términos de costo para luces pequeñas, además de que se reducen los costos de fabricación al ser todos lo elementos iguales en longitud. La armadura Warren modificado se usa en luces grandes. (ver figura 4.4) La Warren es generalmente más satisfactoria que la Pratt. Los techos pueden ser completamente planos para los claros que no excedan de 9 o 12 metros. Figura 4.4 Armadura tipo Warren

4.1.4 Armadura Belga. La armadura tipo Belga se caracteriza por tener las diagonales perpendiculares a la cuerda superior y la inferior en tensión. Es una de las armaduras más empleadas para techos. Pueden salvar a claras hasta de 30 metros. (figura 4.5) Se observa en la foto 3, una armadura tipo Belga, formada por dos ángulos espalda con espalda,

de largueros se tienen canales CF que soportan un techo de lámina, con las uniones soldadas, esta armadura está apoyada en columnas de concreto reforzado.

4.1.5

Armadura

Fink.

La

estructura Fink ha sido utilizado

Foto 3 Armadura tipo Warren con cuerdas superior e inferior rectas.

para claros del orden de 36.5 metros. Un techo que la hace más económica es que la mayoría de los miembros están en

Figura 4.6 Armadura tipo Fink

tensión, mientras que los sujetos a compresión son bastantes cortos. Las armaduras Fink pueden ser divididas en un gran número de triángulos y coincidir caso con cualquier espaciamiento de largueros. (figura 4.6) 4.1.6 Armadura dientes de sierra. El techo dientes de sierra se usa principalmente para los talleres, su propósito es ayudar en la distribución de la luz natural sobre las áreas de piso cubiertas. Ayuda a tener claros de hasta 15 metros. Este tipo de armadura es de forma asimétrica, así como también lo son sus cargas. (figura 4.7) (foto 4) 4.1.7 Armadura Mansard. La armadura Mansard es una variación de la armadura Fink, con la ventaja de reducir el espacio no usado a nivel de techo. Sin embargo, las fuerzas en las cuerdas superior e inferior se incrementan debido a la poca altura de la cercha o la pequeña razón entre

Figura 4.7 Armadura Dientes de sierra

Foto 4 Aplicación de armadura tipo Dientes de sierra.

Figura 4.8 Armadura tipo Mansard

altura y claro de la armadura. (figura 4.8) 4.1.8 Armadura tipo Tijera. Cercha o dos aguas cuyas barras de tracción van desde la base de cada cordón hasta el punto medio del otro cordón superior. Se puede emplearse para distancias pequeñas que requieren altura libre superior. (figura 4.9)

Figura 4.9 Armadura tipo Tijera

4.1.9 Armadura Polonceau. La armadura Polonceau se puede emplear para salvar claros de

Figura 4.10 Armadura tipo Polonceau

hasta 24 metros. (figura 4.10) 4.2 Armaduras tipo Puentes 4.2.1 Armadura Baltimore. La armadura Baltimore es una subclase de la armadura Pratt. Tiene refuerzos adicionales en la sección inferior de la armadura para evitar el pandeo en los miembros de compresión y para controlar la deflexión. (figura 4.11)

Figura 4.11 Armadura tipo Baltimore

4.2.2 Armadura Tipo K. La Armadura en K, adecuada para mejorar el comportamiento de las diagonales sometidas a compresión y que suelen ser barras críticas. (figura 4.12)

Figura 4.12 Armadura tipo K

4.2.3 Armadura tipo Howe. Está compuesta por montantes verticales entre el cordón superior e inferior. Las diagonales se unen en sus extremos donde coincide un montante con el cordón superior e inferior. Con esta esa disposición se lograba que los elementos verticales, que eran metálicos y más cortos estuvieran tensionados, mientras que las diagonales más largas estaban comprimidas. (figura 2.3) (foto 5).

Foto 5 Armadura tipo Howe (empleado en puente)

4.3 Armaduras tipo Estadio. 4.3.1 Armadura Basculante. Una armadura Basculantes es aquella que esta formada por elementos dispuestos en forma vertical o diagonal, y cuya ubicación no es fija, ya que giran alrededor de un eje horizontal, junto con una línea de apoyos.

Figura 4.1 Armadura tipo Basculante

4.3.2 Armadura tipo Estadio. Estas estructuras están compuestas por elementos dispuestos de Figura 4.1 Armadura tipo Estadio manera triangulares, pero que cuentan con un apoyo extremo, generalmente estas estructuras se las utilizan para la construcción de galpones y coliseos.

4.3.3 Armadura en Voladizo. Un Voladizo es una armadura que se encuentra en los extremos de un techo. Se utiliza bastante en la construcción de techos, sean estos de coliseos, naves o galpones.

Figura 4.1 Armadura tipo Voladizo

Bibliografía. McCormac, E. (1994). Estructuras Análisis y Diseño (Ed. rev.). Ciudad de México, México: Alfaomega. Beer, F., Johnston, E., & Mazurek, D. (2013). Mecanica Vectorial para Ingenieros (10ª ed.). México, México: Mc Graw Hill. Cruz, C., Hernandez, C., & Figueroa, P. (2012). Estructuracion, Analisis y Diseño (Ed. rev.). México, México: Desconocido. Garcia, E. (2015, 15 julio). scribd. Recuperado 21 noviembre, 2019, de https://www.scribd.com/document/318428006/Aplicaciones-de-Armaduras. Hernandez, L. (2005). Diseño de Armaduras para Techo (Ed. rev.). México, México: Desconocido.

Conclusión. El análisis de armaduras en el campo de la ingeniería es de vital importancia, ya que a partir de un correcto estudio se podrá llevar a cabo el diseño y la construcción de grandes estructuras, tales como puentes, techos de coliseos, naves, etc. A partir de la investigación realizada, la importancia y enfoque del presente estudio, basándome al proceso del diseño estructural se describe que el triángulo es la única forma estable, por eso es por lo que la mayoría de las estructuras tienen el diseño de triángulos ya que es imposible que el triangulo cambie de forma bajo carga, a menos que uno o mas lados se flexionen o se quiebren. Sin embargo, se mostró que hay algunas estructuras estables que contienen una o mas figuras que no son triángulos....