El Diseño Preliminar de Estructuras Residenciales es un paso fundamental en la planificación de cualquier edificio. Este proceso permite establecer la configuración básica de los elementos estructurales, asegurando la estabilidad y funcionalidad de la edificación desde sus primeras etapas. Es crucial para ingenieros y arquitectos comprender cómo se interrelacionan la propuesta espacial y la resistencia estructural.
Conceptos Clave en el Diseño Preliminar de Estructuras Residenciales
El diseño preliminar de estructuras residenciales implica varias tareas esenciales que buscan integrar la arquitectura con la ingeniería. Se trabaja con plantas típicas y fundaciones para edificios de mediana altura, a menudo entre medianeras, como base para el análisis.
Propuesta y Esquema Estructural
Se debe proponer y dibujar el esquema estructural de la planta típica (la más repetitiva) y de las fundaciones. Para esto, se siguen criterios de representación y numeración definidos en cursos de estructuras, como Estructuras 2. Estos esquemas pueden realizarse de forma electrónica (PDF, presentación) o manual.
Los proyectos suelen trabajar con losas macizas, las cuales pueden estar armadas en una o dos direcciones. Es importante identificar si una losa es unidireccional o bidireccional y sus condiciones de apoyo.
Criterios de Relación Arquitectura/Estructura
Para un diseño estructural armónico, se deben considerar los siguientes criterios:
- La estructura debe acompañar la propuesta espacial del arquitecto, sin interferir con ella.
- Las vigas no deben atravesar los ambientes, manteniendo la continuidad espacial.
- Las alturas de las vigas no deben impedir las alturas de paso. Por ejemplo, si la diferencia de niveles superiores de losas es de 2.80 m, la altura de paso mínima recomendada es de 2.10 m.
- Las losas no deben soportar mamposterías importantes para evitar sobrecargas y deformaciones excesivas.
- Las vigas deben tener apoyos en ambos extremos o en una columna y en otra viga. Se debe limitar el uso de apeos.
- Se pueden utilizar columnas y tabiques como elementos de transmisión de cargas verticales.
- Es vital estudiar la ubicación de las columnas en Planta Baja para evitar la generación de apeos de columnas sobre vigas en este nivel.
Predimensionamiento de Elementos Estructurales para Proyectos Residenciales
El predimensionamiento es la estimación inicial de las dimensiones de los elementos estructurales. Este paso es crucial para obtener una idea general del tamaño de las losas, vigas, columnas y fundaciones antes de los cálculos detallados.
Predimensionamiento de Losas
El criterio principal para el predimensionamiento de losas es evitar su excesiva deformabilidad. Esta deformabilidad depende del tipo de losa (unidireccional, bidireccional), su luz (la distancia entre apoyos) y sus condiciones de apoyo (si hay continuidad o no).
Ejemplos:
- Para una losa L113 con Lx = 4.35 m y Ly = 1.56 m, si corresponde al caso 2 (con un extremo continuo), se puede adoptar una altura
h = 7 cm. - Para una losa L104 con Lx = 4.35 m y Ly = 4.69 m, si corresponde al primer caso (con un extremo lateral continuo), se puede adoptar una altura
h = 11 cm.
Predimensionamiento de Vigas
El predimensionamiento de vigas, especialmente aquellas que no reciben apeos de columnas, también sigue criterios para evitar deformaciones excesivas y garantizar su resistencia.
Ejemplo:
- Para la viga V117, con una luz
L = 4.79 m, tomando un valor intermedio de 11, se podría obtener una alturaH = 45 cm. Se suele adoptar el mismo valor para todas las vigas con continuidad para uniformidad y facilidad de armado. El anchobwpuede ser de15 cm.
Predimensionamiento de Columnas mediante Áreas de Influencia
El método de las áreas de influencia es fundamental para estimar las cargas que recibe una columna o tabique, lo que permite su predimensionamiento. Consiste en determinar un área estimada que descarga sobre el elemento.
Procedimiento:
- Definición del Área de Influencia: Se trazan líneas equidistantes entre las columnas adyacentes. Estas líneas delimitan el área que descarga sobre una columna específica.
- Cálculo de Carga por Piso: Se determina la superficie del área de influencia de la columna. Considerando un valor promedio de cargas distribuidas de servicio (sin mayorar) de, por ejemplo,
10 kN/m², se obtiene la carga estimada para ese piso. - Carga Total en Planta Baja: La carga total en Planta Baja se calcula multiplicando la carga por piso por el número de pisos que soporta la columna (ej. 9 pisos + azotea).
- Sección de la Columna: Para predimensionar la sección, se estima una tensión de trabajo
fs(ej.0.70 kN/cm²). La sección requerida será la carga total dividida porfs. - Dimensiones Finales: Si la columna se encuentra en una pared longitudinal, se puede adoptar un ancho de
20 cm(mínimo) y calcular la longitud. Por ejemplo, si el cálculo da100 cm, se puede aproximar a100 cm x 20 cm.
Predimensionamiento de Fundaciones
El predimensionamiento de bases se realiza a partir de las cargas que reciben de las columnas en planta baja, considerando la tensión admisible del terreno. Es importante tener en cuenta el tipo de fundación (directa, entre medianeras).
Procedimiento:
- Carga de la Columna más Peso Propio: Para el predimensionamiento de la base, se considera una carga un 10% superior a la de la columna en Planta Baja para incluir el incremento por el peso propio de la base.
- Tensión Admisible del Terreno: Se utiliza el valor de la tensión admisible del terreno, proporcionado por un estudio de suelos (ej.
200 kN/m²). - Superficie de la Base: La superficie requerida se calcula dividiendo la carga total (columna + 10% peso propio) por la tensión admisible del terreno.
- Dimensiones Finales: Si es una base centrada, se adopta una forma cuadrada. Por ejemplo, si la superficie calculada lleva a un lado de
2.80 m, se adopta una base cuadrada de2.80 m x 2.80 m.
Preguntas Frecuentes sobre el Diseño Preliminar Estructural
¿Qué es el predimensionamiento en estructuras?
El predimensionamiento es la etapa inicial del diseño estructural donde se estiman las dimensiones aproximadas de los elementos (losas, vigas, columnas, fundaciones). Su objetivo es tener una primera aproximación de tamaños para la distribución de cargas y la configuración espacial, antes de realizar cálculos detallados y optimización.
¿Cómo se relaciona la arquitectura y la estructura en un proyecto residencial?
La relación es simbiótica: la estructura debe acompañar la propuesta espacial de la arquitectura, permitiendo la funcionalidad y estética deseada, mientras que la arquitectura debe considerar las limitaciones y requisitos de la estructura para asegurar la estabilidad del edificio. Esto implica que las vigas no crucen ambientes o que las columnas se ubiquen estratégicamente.
¿Qué es el método de las áreas de influencia para columnas?
Es una técnica utilizada para estimar la carga que descarga sobre una columna o tabique. Se basa en trazar líneas equidistantes entre elementos portantes adyacentes para delimitar un área tributaria. La carga sobre la columna se calcula multiplicando el área de influencia por las cargas distribuidas por nivel.
¿Por qué es importante predimensionar las fundaciones?
Es crucial predimensionar las fundaciones para determinar el tamaño y tipo de base necesarios para transmitir las cargas del edificio al terreno de manera segura. Un predimensionamiento adecuado asegura que la tensión sobre el suelo no supere su capacidad admisible, evitando asentamientos excesivos o fallas estructurales.