Gabriel O. Gallo - DISEÑO ESTRUCTURAL CASA HABITACION PDF

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Gerente de producto: Carlos Ruiz Viquez Cuevas Editor de desarrollo: Sergio Campos Peláez Supervisor de producción: Timoteo Eliosa Carda DISEÑO ESTRUCI'URAL DE CASAS HABITACIÓN Segunda edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita ...

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Gerente de producto: Carlos Ruiz Viquez Cuevas Editor de desarrollo: Sergio Campos Peláez Supervisor de producción: Timoteo Eliosa Carda

DISEÑO ESTRUCI'URAL DE CASAS HABITACIÓN Segunda edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.

W . M cGraw-HIII zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA tia Inleramertcana DERECHOS RESERVADOS© 2005, respecto a la segunda edición en español por McCRAW-HILL/INTERAMERICANAEDITORES, S.A. DE C.v. A zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA Subsidiary of The MéCraw-Híll Companies, Ine..

Prolongación Paseo de la Reforma 101S Torre A-Piso 17, Santa Fe Delegación Álvaro Obregón 01376, México, D.E Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN-10: 970-1D-4826-1 ISBN-13: 978-970-10-4826-9 ISBN-10: 970-10-1468-5 edición

anterior

Impreso en México

Printed in Mexico

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09876432105

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Esta publicación se terminó de imprimir durante el mes de Abril de 2007, en zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA los talleres de Impresiones Precisas Alfer, S.A, de C.V. Calle 2 No. 103 Col. Leyes de Reforma Iztapalapa, C.P. 09310 México, D.F.

Prólogo

Prólogo a la segunda edición

ix

Introducción

xi

1 El diseño

2

Propiedades mecánicas del mortero de junteozyxwvutsrqponmlkji 13 viizyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

"-,------,,--

estructural

1

OBJETIVOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL CRITERIOS DE DISEÑO ESTRUCTURAL Seguridad estructural Criterio reglamentario de diseño estructural REGLAMENTOS DE DISEÑO

3 3 4 5

Materiales

7

MAMPOSTERíA Piedras naturales Piezas artificiales Propiedades mecánicas de las piezas o unidades

7 8 9 11

3

4

Propiedades mecánicas de la mampostería CONCRETO Cemento, agregados Mezclas Pruebas en el concreto Aditivos para concreto ACERO DE REFUERZO

14 16 16 19 20 23 24

Acciones

27

CLASIFICACiÓN DE LAS ACCIONES COMBINACiÓN DE ACCIONES DETERMINACiÓN DE LAS ACCIONES Cargas permanentes (cargas muertas) Cargas variables (cargas vivas) Cargas accidentales

27 29 30 30 31 32

Sistemas constructivos

39

DETERMINACiÓN DE CARGAS UNITARIAS DE ELEMENTOS Determinación de pesos Peso de tinaco y bases Determinación de pesos

40 40 4S 48

Contenido

Proyecto de aplicación de diseño CARGASEQUIVALE~TESDEBIDASA MUROS zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 49 en casa habitación 125 DIVISORIOSzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

6

5

Diseño estructural de elementos de casa habitación

51 53 54 55 57 61 63 63 65 67 73 79 79 94 102 108 112 112 116 122

Plano estructural

125 126 126 129 130 138 147 153 153 158 168

(véase desplegado)

Apéndices

173

Bibliografía

181

índice analítico

183

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJI

ESTRUCTURACiÓN TRANSMISiÓNY BAJADADE CARGAS DISEÑODE LA CIMENTACiÓN Cimientos de mampostería Cimientos corridos de concreto reforzado Losas de cimentación DISEÑOY REVISiÓNDE MUROS Sistemas estructurales a base de muros de mampostería Muros sujetos a cargas verticales Muros sujetos a cargas horizontales (sismo) Muros de contención DISEÑODE VIGAS DE CONCRETOREFORZADO Flexión Cortante Adherencia y anclaje de varilla Deflexiones DISEÑODE LOSASDE CONCRETOREFORZADO Losas en una dirección Losas macizas perimetralmente apoyadas Losas aligeradas perimetralmente apoyadas

51

DESCRIPCiÓN DESARROLLODEL PROYECTO Proyecto arquitectónico Proyecto· estructural Análisis de ,carga~ unitarias Transmisión de Cargas a perimetro de tablero Diseilo de cimientos y muro de contención Revisión de muros sujetos a cargas verticales Revisión de muros sujetos a cargas horizontales (sismos) Diseño de trabes Diseño de losa de azotea

U

n dicho m uy popular en la Ingeniería estructural es el siguiente: "Una casa habitación de hasta dos niveles no se calcula, se receta". Esta afirm ación parte de dos prem isas: la prim era indica que el costo de una casa no vale un buen cálculo y la segunda que las cargas aplicadas en una construcción de este tipo no conducen a fallas catastróficas. De m anera breve es posible dem ostrar que las prem isas anteriores son falsas, y en consecuencia, que el dicho en cuestión es una falacia. Si se hace referencia al aspecto económ ico, un buen cálculo conduce al contratista de una construcción de este tipo a ahorros sustanciales en obra negra, en especial cuando el proyecto consta de decenas o centenas de unidades. Al aplicar procedim ientos de diseño estructural racionales y al tener com o apoyo fundam ental el reglam ento o código local de construcciones, es posible reducir la cantidad de m aterial, y por lo tanto los recursos económ icos a em plear. En térm inos éticos, lo anterior es una de las cosas que el cliente en particular y la sociedad en general esperan de los ingenieros. Al hablar de lo que se denom ina "falla" y se define com o un derrum be observado, las fallas serían relativam ente pocas; pero, si se considera com o falla toda discrepancia entre los resultados esperados de un proyecto y los que en realidad se obtienen y adem ás se tom a el trabajo de m edir cuidadosam ente la posición, form a y

condiciones de las estructuras term inadas, entonces la cantidad de fallas es m uy grande. Con frecuencia, ciertos desplazam ientos indeseables, agrietam ientos antiestéticos y algunas deform aciones inexplicables aparecen en las obras. En estos casos cabe preguntarse si se trata de verdaderas fallas o de un com portam iento norm al, pero inesperado de la estructura. El caso es que el usuario de la obra es el que, a final de cuentas, debe sufrir las consecuencias de estas situaciones. A lo largo de un periodo deberá sufrir la rotura de vidrios, el atoram iento de ventanas corredizas, el encharcam iento de agua en la azotea, los agrietam ientos en ciertas zonas de la construcción, el abom bam iento de pisos, vibraciones en entrepisos, etcétera. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUT La cuestión de quién es el culpable de lo anterior es un punto difícil de definir; un enfoque razonable im plica el considerar a las fallas com o la com binación de circunstancias (errores, descuidos, m alas interpretaciones, ignorancia, incom petencia y aun deshonestidad). El problem a se inicia si desde su concepción, es decir, desde el proyecto arquitectónico, existen graves deficiencias que ponen en evidencia un m arcado desprecio por los problem as estructurales y falta de criterio en el concepto estructural. Ya en el cálculo, el m enosprecio del problem a estructural produce resultados lam entables. Por ejem plo, conceptos com o "trabe oculta", es decir, un racim o de varillas aglom erado en una franja

Pr6/ogo

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de una losa que pretende funcionar con la rigidez de una verdadera trabe, producen losas trabajando en una dirección de gran claro, lo que acarreará grandes deflexiones y molestas vibraciones. Al final, los defectos propios de la construcción (por ejemplo, la falta de control en la relación agua/cemento propia de este tipo de construcción genera resistencias del concreto inferiores en mucho a las especificadas) no hacen sino agravar el problema.

El objetivo de este trabajo es demostrar que mediante procedimientos de cálculo racionalmente sencillos, es posible lograr cuando menos disminuir los factores de riesgo involucrados y de paso reducir el costo de la obra. Consideramos que el logro de estos objetivos justifica que el ingeniero invierta un poco más de tiempo en el cálculo de los elementos estructurales.

Los zyxwvutsrqponmlkji AUTORES

L

contemplar los cambios de la reglamentación. Además, en algunos temas se ha modificado ligeramente el enfoque didáctico, de tal manera que sean más accesibles para los lectores, estudiantes del diseño estructural. Para los lectores del interior de la República y de otros países, cabe mencionar que las especificaciones contenidas en el Reglamento de construcciones para el D.F. yen sus Normas técnicas complementarias, ordenamientos que sirven de base para resolver los problemas contenidos en este trabajo, son similares en espíritu a las de otras partes del mundo y, en consecuencia, los procedimientos descritos en esta obra pueden ser aplicados con las adecuaciones correspondientes. En cualquier caso, el fenómeno físico involucrado carece de nacionalidad. Los objetivos que los autores plantean para la elaboración de la primera edición de esta obra son aún vigentes, por lo que se espera que esta edición sea útil a los estudiantes de Ingeniería y a todos los amables lectores.

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a primera edición de este modesto trabajo tuvo una excelente aceptación entre los estudiantes de Ingeniería y Arquitectura. Los autores han visto con satisfacción que los jóvenes consultan con interés y de manera crítica los diversos temas que conforman dicha edición. El rápido avance en el conocimiento de los fenómenos de la Ingeniería estructural ha producido cambios en las normas que rigen el diseño de estructuras. En México se han presentado cambios tanto en el Reglamento de construcciones para el Distrito Federal como en las Normas técnicas complementarias que rigen los diseños específicos. En el caso del Reglamento, sus artículos son más generales en su aplicación y trasladan las especificaciones numéricas (como por ejemplo, la magnitud de las cargas vivas) a las nuevas Normas técnicas complementarias sobre criterios y acciones para el diseño estructural de las edificaciones. Las mencionadas normas actualizan criterios y expresiones de diseño y, de esta manera, proporcionan mayores niveles de seguridad en el diseño estructural de las construcciones. Debido a lo antes expuesto, ha sido necesario revisar y actualizar la anterior versión de este trabajo para

Los

AUTORES

P

or lo general, la gente no piensa en el tipo de estructura existen estructuras naturales com o lo son zyxwvutsrqponmlkjihg el tronco y las ram as de los árboles, el cascarón de un huevo, el en la cual desarrolla sus actividades; sin em bargo, cuando ocurre un accidente, es decir, cuando una estructura esqueleto hum ano, etcétera. se colapsa, entonces reflexiona y se cuestiona para tratar D esde hace m uchos años el hom bre ha aprendido de entender qué pasó. Es im portante com entar que, a construir estructuras que abarcan un am plio rango con su trabajo, el ingeniero especialista en estructuras de aplicaciones, tales com o: recipientes para contener líquidos, viviendas, cam inos, m ercados, edificios, esparticipa en todas las construcciones en donde el ser hum ano desarrolla sus actividades en esta época m otadios, etc., que sirven para atender una necesidad de derna, ya que se vive y se trabaja en casas, edificios, adaptabilidad, pero adem ás deben realizar su función fábricas; se realizan actividades de diversión com o ir con seguridad, com odidad, buena apariencia y óptim a al teatro, a centros deportivos o religiosos; cuando se utilidad. hace un viaje, se utilizan cam inos, autopistas y puentes, U n buen diseño estructural requiere entender tam bién es posible abordar un barco en un m uelle o cóm o se sostiene la estructura así com o la form a en la un avión sobre una pista de despegue; el agua para que absorbe y transm ite las fuerzas; asim ism o, es necebeber llega a través de acueductos; se com pran prosario conocer la resistencia y dem ás propiedades de los ductos del cam po, cuyos cultivos fueron regados por m ateriales con los cuales se construirá la estructura. algún sistem a, etc. En todos los ejem plos m encionaTodas las estructuras tienden a deform arse, a sufrir agrietam ientos, a tener algún tipo de asentam iento, dos aparecen obras que requieren de estructuras para pero debe existir un criterio ingenieril adecuado para soportar las cargas para las que son solicitadas. D esde luego, estas estructuras deben estar debidam ente diseestablecer los m árgenes de seguridad necesarios que ñadas para que las actividades se puedan realizar de nos llevarán a un buen diseño. m anera adecuada. El objetivo de este trabajo es establecer los criteU na zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA rios m ás com unes para el cálculo y diseño de estrucestructura se identifica com o algo que consturas, fundam entalm ente a base de m uros de carga y tituye el interior de un objeto o ser viviente pero que soporta peso, es decir, recibe y transm ite cargas, las sistem as de losas de concreto reforzado o sistem as de cuales tienen una naturaleza especial; en ese sentido, viguetas y bovedillas.

E

PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

Sin afán de considerar que la metodología aquí presentada sea estrictamente la única y exclusiva, se sugiere una serie de aspectos que sintetizan los pasos a seguir en zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJ un proceso de diseño estructural, como se observa a continuación:

1 . Estructuración 2. Análisis zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLK a) M odelación b) Determinación de las acciones de diseño c) Obtención de los elementos mecánicos de diseño 3. Dimensionamiento

1. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFED Estructuración. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDC En esta fase del diseño se eligen los materiales que compondrán la estructura para así conocer el peso de la misma y sus propiedades mecánicas, la forma general de ésta, es decir, el tipo de estructura que en particular esa obra requiere o debe tener. En esta etapa se requiere que el proyectista tenga cierta expe-

zyxwvutsrqpo

l diseño estructural se define como un conjunto de actividades a desarrollar para determinar las características físicas de una estructura, de manera que sea posible garantizar la absorción de las cargas a las que va a estar sujeta en las diferentes etapas de su vida útil sin sufrir daño alguno; es decir, la función adecuada de una estructura en condiciones de servicio. Una obra determinada se debe concebir como un sistema global, el cual, a su vez, está integrado por un conjunto de subsistemas que es necesario combinar en forma precisa para cumplir con la función a la que fueron destinados. Todos estos subsistemas deben interactuar de tal manera que en el diseño tomen en cuenta la relación existente entre ellos y así, logren el objetivo final del diseño estructural, el cual es producir estructuras que den un mejor rendimiento, es decir que sean seguras, económicas, funcionales y duraderas. Por lo general, el encargado de este diseño trabaja tratando de satisfacer el proyecto arquitectónico y muchas veces no toma en cuenta los diferentes subsistemas (como instalaciones, acabados, etc.) lo que lleva a la postre a corregir sobre la marcha los diseños, provocando incluso alteraciones importantes en las especificaciones; por lo tanto, es necesario que el proyectista conozca con profundidad su trabajo y

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tome en cuenta, en sus diseños, todo lo necesario para hacerlos correctamente.

El diseño estructural

riencia y conocim ientos de la teoría estructural, ya que es necesario realizar el llam ado predim ensionam iento de los elem entos que com pondrán a la estructura.

2. Anólisis. D entro de esta actividad se tendrá que determ inar la respuesta de la estructura ante las diferentes acciones a las cuales será som etida y, para realizar esta etapa, será necesario desarrollar las siguientes actividades: a) Modelar la estructura. A quí se idealizará la estructura por m edio de un m odelo teórico factible de ser analizado por los procedim ientos y m étodos conocidos de análisis estructural. Para ello, es necesario establecer las propiedades de los m ateriales y características geom étricas de las secciones. Es posible m encionar tam bién algunos m odelos clásicos, los cuales se em plean en la m odelación de estructuras com o son los puentes y los edificios. Ejem plos de estos m odelos son: vigas, colum nas, losas arm aduras, cables, entre otros, los cuales, com binados, form an m arcos, vigas continuas, etcétera. b) Determinación de las acciones de diseño. En esta parte del análisis se determ inan las acciones que obrarán en la estructura y, para ello, será necesario conocer los sistem as constructivos, la ubicación de la estructura y en general toda la inform ación que ayude a la determ inación de las peticiones que puedan, eventual o perm anentem ente, actuar sobre la estructura, ya que de esta m anera se podrá obtener el m ayor grado de aproxim ación en la valuación de las acciones. Es obvio que será necesario recurrir a los códigos y reglam entos existentes en el m edio. c) Determinación de los elementos mecánicos de diseño. A quí se aplican los diferentes procedim ientos y m étodos de cálculo para la obtención de las fuerzas internas o elem entos m ecánicos, tales com o las fuerzas axiales, los cortantes, los m om entos flexionantes y de torsión, etc, a los que van a estar som etidos los diferentes com ponentes de la estructura (por ejem plo,

m uros, vigas, colum nas). Cabe hacer una aclaración, al aplicar los m étodos de cálculo se obtendrán resultados exactos, pero sólo para el m odelo teórico elegido, no así para la estructura real; de ahí la im portancia de elegir adecuadam ente las acciones y el m odelo que la estructura en cuestión tendrá que soportar.

3.zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONML D imensionamiento. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHG En esta etapa se obtienen las dim ensiones correspondientes al detallar los elem entos estructurales que conform an la estructura, adem ás se revisa si ésta cum ple con los requisitos de seguridad establecidos. Estos resultados se vacían en los planos constructivos, definiendo en ellos las especificaciones correspondientes. Es im portante resaltar la necesidad de transm itir a los constructores la inform ación de los resultados obtenidos en form a clara, precisa y sencilla; es decir, los planos deberán contener toda la inform ación procurando que ésta sea lo m as detallada posible sin olvidar nada, de tal m anera que se pueda entender y la obra sea desarrollada según el criterio con el cual se planteó el proyecto. U na vez que el proyecto está term inado, el siguiente paso es la construcción del m ism o, pero en esta fase se tendrá especial cuidado con un aspecto que es fundam ental para lograr la calidad de la obra esperada. Este aspecto es la supervisión, ya que ésta será responsable de la buena ejecución de los trabajos a desarrollar, al vigilar y controlar que se cum plan todas las especificaciones y norm as que del proyecto resultaron. Es com ún que en esta últim a etapa existan descuidos, por lo que se debe ser extrem adam ente escrupuloso en la verificación del cum plim iento del proyecto en lo tocante a la calidad de los m ateriales y la propia obra. U na etapa final es la puesta en servicio, ya que es la culm inación de los objetivos que inicialm ente se m arcaron para atender una necesidad; es decir, realizar una construcción con algún propósito específico.

Criterios de diseño estructural

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R e spue sta

> Seguridad estructural

Agrietam ientos Flechas Desplazam ientos horizontales Vibraciones Hundim ientos