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Armaduras y tipos de armaduras para techo...

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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONSAGA

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

“ARMADURAS Y TIPOS DE ARMADURAS PARA TECHOS”

CURSO

: ESTÁTICA

CICLO

: IV

SEMESTRE ACADÉMICO : 2018 - I DOCENTE

: Lic. Fis. Cristian Milton Mendoza Flores

ALUMNOS

: Atencio Illescas, James Kennedy Camones Olaza, Maycol Requena Marcelo, Deiby Mijail Sánchez Feliz, Yonni Helbert Custodio Ramirez Juan

ICA – PERÚ 2018

ÍNDICE Pág. Dedicatoria………………………………………………………………………….. 03 Introducción………………………………………………………………………... 04 Reseña histórica sobre armaduras……………………………………………...05 TIPO DE ARMADURAS PARA TECHOS: o Techos……………………………………………………………………… 07  La Inclinación...……………………………………………………...…..07 o Armaduras……………………………………………………................... 08  Partes de una Armadura……………………………………………....10  Armaduras Planas……………………………………………………...12  Armadura simple………………………..…………………………13  Armaduras compuestas…………………………..………..…….14  Armaduras de nudos rígidos………………….……………………….14  Análisis de armaduras………………………………………………….15  Método de los nodos……………………………………………..15  Método de las secciones………………………………………...15  Armaduras tridimensionales…………………………………………...16  Tipos de Armadura……………………………………………………..17  Armadura Tipo “A”….………………………………………………17  Armadura de montante maestro…………………………….........18  Armadura tipo Pratt…………………………………………………18  La armadura tipo Howe y Warren …………………...…………..19  Armadura de cuerda y arco………………………………………..20  Armadura tipo Fink………………………………………………….20  La armadura Mansard……………………………………………...21  Armadura tipo tijera…………………………………………………21  Armadura tipo dientes de sierra…………………………………..22  Armadura Polonceau……………………………………………….22  Cargas en Armaduras para Techos………………………………….22  Cargas Gravitacionales………………………………………........24  Cargas Muertas…………………………………………….24  Materiales para Techado…………………….…...25  Viguetas y Largueros para Techos……………...26  Cargas Colgadas………………………................28  Peso Propio de Armaduras……………………... 28  Cargas Vivas………………………………………………..29  Cargas de Nieve y Hielo………………………….29  Lluvia………………………………………………..30  Cargas Accidentales………………………………………………..31  Cargas de Viento…………………………………………..31  Cargas de Sismos………………………………………….34  Características………………………………………………………….35  Conexiones………………………………………………………….…..36 Conclusiones………………………………………………………………………..37 Bibliografía Virtual y Física……………………………………………………….38 Armaduras Y Tipos De Armaduras Para Techos

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INTRODUCCIÓN

Se estudia el sistema de techo desde la perspectiva del diseño de una edificación en conjunto (sistema estructural total), a partir de esto se establecen clasificaciones de los sistemas de techos en base a su efectividad de transferencia de cargas laterales en función de su flexibilidad como diafragma y además como sistemas de techo autosoportante y a base de cubierta y estructura de soporte; de ésta última clasificación se limita el estudio a sistemas de techo a base de cubierta y estructura de soporte con perfiles metálicos. Seguidamente se realiza una investigación a cerca de los componentes de este tipo de estructura de techo con los materiales y formas estructurales más utilizadas en el ámbito local, su comportamiento estructural, las recomendaciones a cerca de su uso, sus ventajas y desventajas, etc. Se incluye además en esta parte los conceptos relacionados con los tipos de conexiones usualmente utilizados entre estos elementos de estructuras de techo, así como el uso de tensores.

Las armaduras o cerchas tienen la característica de ser muy livianos y con una gran capacidad de soportar cargas elevadas y cubrir grandes luces, generalmente se utilizan en cubiertas de techos y puentes. El principio fundamental de las armaduras es unir elementos rectos para formar triángulos, los elementos trabajan a esfuerzos axiales en puntos que se llaman nodos, y entre sí conforman una geometría tal que el sistema se comporta establemente cuando recibe cargas aplicadas directamente en estos nodos .Esto permite soportar cargas transversales, entre dos apoyos, usando menor cantidad de material que el usado en una viga, pero con el inconveniente de que los elementos ocupan una altura vertical considerable. Dado que las armaduras poseen estas características tienen una gran versatilidad en su uso y le permiten al ingeniero una gran flexibilidad para adaptarse a las necesidades de un problema particular. Las armaduras se han venido utilizando desde tiempos antiguos para la construcción de grandes edificaciones, por tal razón se detallaran las principales tipos de armaduras que más se emplean en los techos.

Armaduras Y Tipos De Armaduras Para Techos

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RESEÑA HISTÓRICA SOBRE ARMADURAS

Armaduras de madera para techos de viviendas, similares a los usados en la actualidad, han sido construidas desde tiempos inmemorables. Los romanos construían armaduras de madera de grandes luces para estructuras de puentes y distintas edificaciones. La Columna de Trajano, en Roma, muestra un puente con una superestructura de madera, construido por Apolodoro de Damasco, sobre el río Danubio en Rumanía. Durante el Renacimiento este tipo de construcción fue revivida por Palladio. Se piensa que el arquitecto italiano Andrea Palladio (1518-1580) fue uno de los primeros en analizar y construir armaduras. Los primeros ferrocarriles que se construyeron en Europa Occidental se hicieron en áreas densamente pobladas, los puentes a construir debían tener un carácter permanente, por lo que arcos de piedra y vigas o arcos de hierro colado fueron las soluciones idóneas. Para el caso de Estados Unidos y Rusia, la escasa densidad de población y las grandes distancias obligaron a buscar, inicialmente, una solución más económica y durante los primeros años se usó mucho la armadura de madera. Las armaduras de Howe, conocidas aún por ese nombre, eran iguales a las de Palladio, excepto en que se empleaba hierro para los tensores. Después de 1840, los puentes del mismo tipo fueron construidos de hierro forjado, y el costo del material impuso los métodos científicos de diseño. El primer análisis “científico” de armadura fue realizado en 1847 por Squire Whipple, un constructor de puentes norteamericano de la ciudad de Utica, N.Y. En 1850 D. J. Jourawski, un ingeniero ferroviario ruso, creo el método de solución de los nudos, por el cual se obtienen los esfuerzos en los miembros considerando las condiciones de equilibrio de cada nudo a la vez.

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En 1862 el ingeniero alemán A. Ritter, planteó otro método analítico: el método de las secciones. Ritter cortó la armadura a lo largo de una línea imaginaria y sustiutyó las fuerzas internas por fuerzas externas equivalentes. Haciendo sumatoria de momento en puntos convenientes (puntos de Ritter) pueden obtenerse todas las fuerzas internas. Clerk Maxwell, profesor de Física y Astronomía del Kinas Collage, en Londres, publicó en 1864 la conocida solución gráfica del diagrama de esfuerzos recíprocos, una de las más notables contribuciones a la teoría de estructuras, la cual fue hecha por un científico que no tenía vínculo alguno con las estructuras, sino que es conocido por su teoría del electromagnetismo. Este profesor de Física también sentó las bases para un método de análisis de estructuras estáticamente indeterminadas: método de las fuerzas, la flexibilidad o Maxwell-Mohr. Todos estos métodos de cálculo suponen que los miembros de las armaduras se unen por articulaciones y en realidad las primeras armaduras así se unieron. Por ejemplo, la armadura patentada por el inglés James Warren en 1848 eran miembros de hierro colado que trabajaban a compresión o tensión con agujeros para los pasadores incorporados en la fundición: una clásica articulación.

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TIPOS DE ARMADURAS PARA TECHOS I. TECHOS. Los techos se denomina cubierta o techo a la superficie entramada que cierra una edificación por su parte superior, destinada a proteger su interior de los agentes climatológicos dando una adecuada evacuación, a la vez que protege del agua de lluvia, también proporciona un aislamiento térmico acústico. Los techos pueden ser permanentes o provisionales, dependiendo de los materiales que estén elaborados. Para la elaboración de los techos existen diversos materiales en la industria, acero, madera, ladrillo, concreto, etc. Los techos en cuanto a su forma también son variados, ya que pueden ser planos inclinados, horizontales curvos, etc. Dependiendo de la forma del techo, son empleados los diversos materiales en su construcción. (1)

Figura 1. Ejemplo de un techo

I.1La inclinación. La inclinación de un techo se puede expresar de diferentes maneras. Un método común es expresarla en términos de la relación del peralte al claro. Por ejemplo, una inclinación de un medio, indica que la armadura tiene como peralte la mitad del claro; un claro de 14.6 m (48 ft) un peralte de 3.6 m (12 ft) se conoce como una inclinación de un cuarto. Otro método de designar la inclinación, es dar el ángulo que la cuerda superior hace con la cuerda inferior, por ejemplo 30° o 45° de inclinación. (1)

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Para armaduras simétricas, la base es la mitad del claro y frecuentemente, la inclinación se expresa como la relación del peralte a la base, generalmente en metro/metro. A menudo, a esta relación se le llama pendiente. La siguiente tabla presenta varias inclinaciones para los parámetros del techo y sus equivalencias en grados y en pendientes. (1) Cuadro 1. Inclinación de techos Inclinación Grados Pendiente

1/8 14° 3’ 3:12

1/6 18° 26’ 4:12

1/5 21° 48’ 4.8:12

1/4 26° 34’ 6:12

1/3.48 30° 0’ 6.92:12

1/3 33°40’ 8:12

1/2 45° 0’ 12:12

Con mucha frecuencia la inclinación de un techo se determina por estéticas o bien puede ser que la inclinación del techo este limitada por el tipo de material, generalmente por situaciones económicas. Los techos con inclinaciones fuertes deben resistir mayores cargas de viento y requieren el uso de una mayor cantidad de material para cubrir el techado, mientras que las inclinaciones menos fuertes originan mayores esfuerzos en los miembros de la armadura. (1) II. ARMADURAS. Las armaduras o cerchas se definen como estructuras estacionarias concebidas para soportar cargas, mayormente techos (Foto V); compuesta únicamente de barras conectadas por articulaciones. (8)

Foto I. Típica casa soportada por armadura

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Las conexiones en los nudos están formadas usualmente por pernos o soldadura en los extremos de los miembros unidos a una placa común, llamada placa de unión, como se muestra en la ( figura 2), o simplemente pasando un gran perno o pasador a través de cada uno de los miembros, (figura 3). (2)

Figura 2. Placa de unión

figura 3. Unión con perno

Las fuerzas siguen la dirección de las barras. El interés de este tipo de estructuras es que las barras, de las que generalmente se desprecia su peso, trabajan predominantemente a compresión y tracción presentando comparativamente flexiones pequeñas, y es posee la característica de que estas estructuras están soportadas y cargadas exclusivamente en los nudos. Una armadura es un ensamble triangular que distribuye cargas a los soportes por medio de una combinación de miembros conectados por juntas articuladas, configurados en triángulos, de manera que idealmente todos se encuentren trabajando en compresión o en tensión pura y que todas las fuerzas de empuje se resuelvan internamente. (8) La armadura es uno de los tipos más importantes de estructuras empleadas en ingeniería. Proporciona una solución, a la vez práctica y económica, especialmente en puentes, cubiertas y vigas principales de edificación, sobre todo cuando hay que salvar grandes distancias con una estructura de peso reducido. (8) Cada armadura está diseñada para soportar aquellas cargas que actúan en su plano y, por tanto, pueden ser tratados como estructuras bidimensionales. Todas las cargas deben ser aplicadas en los nodos y no sobre los elementos, los pesos de los elementos de la armadura los cargan los nodos. (3)

Figura 4. Las cargas en los nodos

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II.1 Partes de una armadura.

Una armadura está compuesta por las cuerdas superiores e inferiores y por los miembros del alma.

II.1.1 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. (1)

II.1.2 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 al apoyo. (1)

II.1.3 Miembros del alma. Son los miembros que unen las juntas de las cuerdas superior e inferior, y dependiendo de sus posiciones se llaman verticales o diagonales. (1)

II.1.4 Tirantes. En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a tensión. (1)

II.1.5 Puntales. En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a compresión. (1)

II.1.6 Junta de talón y Cumbrera.

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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. (1)

II.1.7 Nudos. Son los puntos en donde se unen los miembros del alma con la cuerda superior e inferior. (1)

Figura 5 partes de una armadura (Armadura tipo Howe).

II.1.8 Nave o Entre eje. Es la porción de un techo comprendida entre dos armaduras. Puesto que los largueros de techo se extienden de armadura a armadura, la longitud de la nave corresponde a la longitud de un larguero de techo. Independientemente de la configuración que se emplea, la carga del techo se transfiere a los nudos de la armadura, generalmente por medio de los largueros. (1)

II.1.9

Panel.

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Es aquella porción de una armadura que se encuentra comprendida entre dos juntas consecutivas de la cuerda superior. (1)

II.1.10

Larguero de techo.

Es la viga que va de una armadura a otra descansando en la cuerda superior. Uno de los tipos más comunes de estructuraciones de techos se muestra en la (figura 5) y en la (figura 6). En este ejemplo la carga del techo se transfiere de la cubierta a las viguetas de techo; de estas a los largueros de techo y de los largueros de techo a los nudos de las armaduras. (1)

Figura 6. Techo formado por largueros y cubierta

II.2 Armaduras planas. Las armaduras planas se tienden un solo plano y a menudo son usadas para soportar techos y puentes. La armadura mostrada en la ( figura 7). En esta figura, la carga del techo es transmitida a la armadura en los nudos por medio de una serie de largueros. Como la carga impuesta actúa en el mismo plano que la armadura, el análisis de las fuerzas desarrolladas en los miembros de la armadura es bidimensional. Cuando las armaduras de puente o de techo se extienden sobre grandes distancias, comúnmente se usa un soporte o rodillo para soportar un extremo. Este tipo de soporte permite la expansión

o la contracción de los

miembros debidos a los cambios de temperatura o a la aplicación de cargas. (2)

Armaduras Y Tipos

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Figura 7. Armadura tipica de techo

Cada miembro de armadura actúa como un miembro de dos fuerzas, y por tanto, las fuerzas en los extremos del miembro deben estar dirigidas a lo largo del eje del mismo. Si la fuerza tiende a alargar el miembro, es una fuerza de tensión (T), (figura 8); mientras que si tiende a acortarlo, es una fuerza de compresión (C), (figura 9). En el diseño real de una armadura, es importante establecer si la fuerza en el miembro es de tensión o de comprensión. A menudo, los miembros a comprensión deben ser más robustos que los miembros a tensión debido al efecto de pandeo o efecto de columna que ocurre cuando un miembro está sujeto a comprensión. (2)

Figura 8. Fuerza de tensión

Figura 9. Fuerza de compresión

II.2.1 Armadura simple. Para prevenir el colapso, la forma de una armadura debe ser rígida. Es claro que la forma ABCD de cuatro barras que aparece en la (figura 10) , se colapsara a menos que un miembro diagonal, como la barra AC, se le agregue como soporte. La forma más sencilla que es rígida o estable es un triángulo.

En

consecuencia,

una

armadura

simple

es

construida

comenzando con un elemento básico triangular, como el ABC que se muestra en la (figura 11), y conectando dos miembros (AD y BD) para formar un elemento adicional. Con cada elemento adicional que consista en dos miembros y un nudo colocado sobre la armadura, es posible construir una armadura simple. (2)

Armadur

Figura 10.

Figura 11.

II.2.2 Armaduras compuestas. Si dos o más armaduras simples se unen para formar un cuerpo rígido, la armadura así formada se denomina armadura compuesta, de tal manera que cada par comparta sus articulaciones y se añada alguna barra adicional entre cada par de modo que cualquier movimiento de una respecto de la otra esté impedido. Admiten una reducción al caso anterior.

(8)

II.3 Armaduras de nudos rígidos. Una armadura de nudos rígidos es un tipo de estructura hiperestática que geométricamente puede ser similar a una armadura estáticamente determinada pero estructuralmente tiene barras trabajando en flexión. Un nudo se llama rígido si una vez deformada la estructura el ángulo formado inicialmente por todas las barras se mantiene a pesar de que globalmente todo el nudo ha podido haber girado un ángulo finito. (8) Puede probarse que dos armaduras de idéntica geometría, siendo los nudos rígidos y los de los otros articulados, cumplen que:  La armadura de nudos articulados tiene esfuerzos axiales mayores que la de nudos rígidos.  La armadura de nudos articulados es más deformable.  La armadura de nudos rígidos presenta mayores problemas en el dimensionado de las uniones entre barras. (8)

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II.4 ANÁLISIS DE ARMADURAS.

II.4.1 Método de los nodos El método de los nodos nos permite determinar las fuerzas en los distintos elementos de una armadura simple. Consiste en: a. Obtener las reacciones en los apoyos a partir del DCL de la armadura completa. (10) b. Determinar las fuerzas en cada uno de los elementos haciendo el DCL de cada uno de los nodos o uniones. Se recomienda empezar analizando aquellos nodos que tengan no más de dos incógnitas. (10) Si la fuerza ejercida por un elemento sobre un perno está dirigida hacia el perno, dicho elemento está en compresión; si la fuerza ejercida por un elemento sobre el perno está dirigida hacia fuera de éste, dicho elemento está en tensión. (10)

II.4.2 Método de las secciones. El método de las secciones para el análisis de armaduras se basa en el equilibrio de cuerpo rígido de una parte de la armadura. (10) Pasos para analizar una armadura por el método de las secciones. 1° Realizar un diagrama de cuerpo libre sobre la armadura completa. Escribir las ecuaciones de equilibrio y resolver estas ecuaciones para determinar las reacciones en los apoyos. (10) 2° Localice los miembros de la armadura para los cuales se de...