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Una estructura alta es un sistema estructural diseñado para resistir las fuerzas laterales del viento y los terremotos, con criterios de resistencia, deriva y conveniencia para los ocupantes.
Esta forma de arquitectura ha existido durante siglos, por lo que los marcos altos no son nada nuevo en ninguna parte del mundo. Varios edificios históricos como la Pirámide de Khufu, el Templo Yongning y el Templo Hwanglong son testimonio de tales maravillas arquitectónicas.
El campo de la ingeniería civil ha sido testigo de numerosos avances y evoluciona continuamente para adaptarse a los requisitos modernos. El desarrollo en el campo del estilo y la construcción de alta construcción es uno de esos saltos revolucionarios reconocibles por el público.
Tabla de contenido
Funciones básicas de diseño de estructuras de gran altura.
Al diseñar estructuras altas, las características básicas como la carga, la resistencia, la estabilidad y la durabilidad deben considerarse cuidadosamente, como se explica a continuación.
1. Carga
Las cargas verticales, vivas y muertas, son de naturaleza casi determinista y no deberían representar un problema de diseño. Sin embargo, las fuerzas laterales del viento y los terremotos hacen que el diseño sea engorroso. Estas fuerzas laterales pueden crear una tensión significativa en la estructura, generar vibraciones no deseadas o causar un balanceo lateral excesivo de la estructura y requieren una consideración especial.
El desarrollo de diseños de construcción multicapa ha enfatizado el valor de limitar la actividad de balanceo y carga lateral. Los muros de corte minimizan el balanceo lateral de la estructura, a diferencia de los marcos inflexibles tradicionales. Un muro de corte bien diseñado proporciona seguridad estructural y protección contra perturbaciones sísmicas a elementos no estructurales como falsos techos, paneles de pared, etc.
2. Fuerza
Un aspecto importante del diseño de las estructuras de gran altura es la resistencia para soportar y permanecer estables bajo las peores combinaciones posibles de cargas que pueden ocurrir a lo largo de la vida útil de la estructura, incluso durante la construcción.
Además, las deformaciones inducidas por actividades diferenciales controladas, como la fluencia, la contracción o la temperatura, deben incluirse en los criterios de resistencia estructural.
3. Estabilidad
Las estructuras altas deben tener una estabilidad de cimentación inherente debido a una combinación de fuerzas verticales y laterales. Por lo tanto, necesitamos configurarlo para que podamos aplicar una regla simple de fuerza resultante que pase dentro de un tercio de la base.
Se deben considerar las condiciones de equilibrio para establecer que la fuerza lateral diseñada no debe derribar toda la estructura debido al movimiento del cuerpo rígido alrededor de un borde de la base. Asimismo, el momento resistente del peso propio de la estructura debe ser mayor que el momento de vuelco con un factor de seguridad adecuado.
4. Durabilidad
Las estructuras construidas con materiales y métodos apropiados son más fuertes y resistentes que los edificios básicos de menor tamaño construidos con mano de obra no capacitada sin tener en cuenta las disposiciones del código.
La vida útil del hormigón armado, además de la calidad de los materiales y estructuras, depende de los siguientes factores:
1) Productos químicos con efectos corrosivos
2) Permeabilidad al agua o porosidad del hormigón.
3) Contracción
4) Cubierta de hormigón al acero
5) Curado de hormigón
6) efectos térmicos
7) Efectos acústicos y de congelación-descongelación (para lugares fríos)
5. Restricciones de rigidez y deriva
Garantizar una rigidez adecuada, especialmente la rigidez lateral, es fundamental para evitar posibles fallas progresivas. Una especificación simple que proporciona una estimación de la rigidez lateral de una estructura es: índice de derivaEl índice de deriva se define como la relación entre la deflexión máxima de la parte superior del edificio y la altura total.
Por lo tanto, establecer el límite del índice de deriva es una opción de diseño importante que depende de factores como el uso del edificio, el tipo de edificio, los materiales utilizados y las cargas de viento. Sin embargo, para estructuras convencionales, el rango apropiado es de aproximadamente 1/600 a 1/300, y se debe proporcionar suficiente rigidez para que la deflexión superior no exceda este valor bajo todas las combinaciones de carga posibles.
6. Interacción suelo-estructura
Las fuerzas de gravedad y laterales que actúan sobre un edificio se transmiten a través de los cimientos al suelo debajo de la estructura. Una de las principales preocupaciones de los ingenieros de diseño estructural son los efectos de la falla de los cimientos y el asentamiento estructural.
Para edificios altos, las cargas transferidas por las columnas son muy pesadas debido a su altura. Los cimientos de pilotes y los cimientos de cajones se pueden usar para profundizar los cimientos cuando hay roca de buena calidad o suelo duro en profundidad. En este caso el problema no suele ocurrir. Esto se debe a que las grandes variaciones en la carga y el espaciamiento de las columnas se pueden equilibrar con una sedimentación diferencial mínima.
En áreas con terreno pobre, las cargas sobre los componentes de la cimentación deben limitarse para evitar la falla por corte y el hundimiento extremo. La mitigación puede obtenerse excavando pesos de suelo que representen una porción significativa del peso total de la estructura.
Se debe prestar especial atención al diseño del sistema de cimentación para resistir momentos y cortantes. Esto es especialmente importante cuando la precompresión del peso propio de la estructura no es suficiente para superar los esfuerzos debidos a esfuerzos de tracción o momentos de viento, lo que hace que la estructura flote.
7. Resultados de fluencia, contracción y nivel de temperatura
En estructuras altas de hormigón, los momentos verticales debidos a la fluencia y la contracción son grandes y pueden dañar los componentes no estructurales, provocando una acción estructural significativa en los componentes horizontales y las regiones superiores de la estructura. Las diferentes actividades debidas a la fluencia y la contracción deben analizarse en detalle arquitectónico en las primeras etapas del diseño.
En estructuras con columnas exteriores parcial o totalmente expuestas, puede ocurrir una coordinación significativa del nivel de temperatura entre las columnas exteriores e interiores. Cuando se restringe la deformación relativa, se producen esfuerzos y deformaciones en los miembros involucrados.
La evaluación de tales actividades requiere el conocimiento de diferentes niveles de temperatura. Esto permite una evaluación económica de los cambios térmicos que ocurrirían si no hubiera límites. Por lo tanto, las tensiones y deformaciones térmicas resultantes se pueden calcular mediante análisis elástico convencional.
8. Fuego
El fuego debe ser considerado como un factor importante en el proceso de diseño de estructuras de gran altura. Los niveles de temperatura y la duración se pueden estimar a partir de criterios clave relevantes, en particular el conocimiento de la cantidad y naturaleza de los productos combustibles.
Las propiedades mecánicas de un material, en particular el módulo, la rigidez y la resistencia, pueden desgastarse rápidamente a niveles elevados de temperatura y su resistencia a la carga se reduce considerablemente. El nivel de temperatura al que se produce la deflexión o el colapso depende de los materiales utilizados, la naturaleza de la estructura y las condiciones de carga.
9. Requisitos de comodidad humana
Cuando las cargas de viento fluctuantes inducen deflexiones laterales o de torsión en las estructuras, la actividad vibratoria resultante puede causar molestias a los ocupantes del edificio. Los movimientos que tienen un impacto psicológico en los residentes pueden dejar estructuras que de otro modo serían indeseables e imposibles de alquilar.
Si bien factores como la duración, la amplitud, la orientación del cuerpo, la visión e incluso la experiencia pasada pueden desempeñar un papel, la aceleración es generalmente el factor dominante para determinar la respuesta humana a la resonancia. Por esta razón, los contornos límite pueden imponer muchos límites al comportamiento humano en términos de aceleración y período.
PREGUNTAS MÁS FRECUENTES:
Los factores que contribuyen a la necesidad de estructuras altas incluyen:
(i) falta de tierra;
(ii) falta de fondos;
(iii) requisitos arquitectónicos;
(iv) Aumento de los precios de la tierra
(v) Rápido crecimiento demográfico
Con el patrón creciente de urbanización, la construcción de edificios de gran altura se está llevando a cabo a gran escala. Hay varios aspectos que limitan la altura de los rascacielos. En ciertas ciudades, los códigos de construcción y las ordenanzas del gobierno local dictan la altura máxima a la que se pueden construir las estructuras. Además, en ciertos lugares, las condiciones de los cimientos pueden no ser suficientes para soportar edificios de varios pisos.
El acero es más caro que el hormigón, con relaciones de costo que varían de 60 a 90, pero relaciones de resistencia equivalentes de 15 a 20. La mayoría de los rascacielos son de hormigón armado con barras corrugadas de alto límite elástico. La resistencia del hormigón utilizado varía de M20 a M35 y la resistencia de las barras de apoyo es de 415 N/mm2. Con la excepción de las columnas, en los pisos inferiores de los edificios de gran altura, la proporción de refuerzo utilizado en muchos aspectos de la estructura debe ser inferior al 2 %. El porcentaje de armadura en vigas y losas debe ser aproximadamente del 1%.
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