1.1 Fundamentos de las Estructuras

1. Definición de Estructura

La estructura es todo medio continuo y sólido, ordenado, capaz de resistir establemente, durablemente y sin agotamiento, una serie de perturbaciones y fuerzas exteriores.

• Establemente: No se mueve del estado de equilibrio.
• Durablemente: Su vida útil sin que pierda sus características resistentes.
• Sin agotamiento: No se rompe en su periodo de uso.

2. Tipos de Estructuras

Las estructuras se clasifican según su forma, material, vínculos, etc.

Clasificación por su Forma

• Estructuras elementales: Formadas por un solo elemento estructural (3 tipos):
  • Lineales: Barras (vigas) o cables.
  • Superficiales: Losas (forjados), placas o láminas.
  • Volumétricos: Zapatas, muros.
• Estructuras complejas: Formadas por varios elementos:
  • De malla de barras planas (cerchas, pórticos).
  • De malla de barras espacial o tridimensional.

Clasificación por el Material

• Madera
• Fábrica (piedra/ladrillo)
• Acero
• Hormigón armado

Clasificación por los Vínculos (Apoyos)

Los vínculos enlazan una estructura a otra o al terreno. Su elección es crucial para la estabilidad y el cálculo estructural, así como para el uso y funcionamiento de la estructura.

• Articulaciones (apoyos fijos y móviles)
• Empotramientos

Tipos de Apoyos

• Apoyo Móvil: Soporta cargas verticales, pero no puede soportar cargas horizontales ni momento. Permite libertad para moverse y girar.
• Apoyo Fijo: Soporta cargas verticales y horizontales, pero no soporta el momento.
• Empotramiento: Capaz de soportar todo tipo de cargas (horizontales, verticales y momentos). Impide la rotación y la traslación.

3. Partes de la Estructura de un Edificio

La estructura del edificio es el esqueleto que soporta las acciones que lo afectan. Se consideran elementos estructurales o portantes todos los que la componen:

• Cimentación: Parte inferior y semienterrada, encargada de transmitir las cargas del edificio al terreno.
• Estructura Vertical: Transmite a la cimentación las cargas del resto de la estructura y su propio peso (muros o pilares, que se apoyan en la cimentación).
• Forjados y Estructura Horizontal: Elementos horizontales que soportan las cargas directas que reciben y las transmiten a los elementos verticales sobre los que apoyan.
• Cubiertas: Proporcionan protección contra el clima desfavorable y delimitan el último espacio habitable.

4. Cimentación

La cimentación se encarga de transmitir las cargas al terreno, soportando el peso del edificio y repartiéndolo. Para ello, debe estar en contacto con el terreno. Su superficie será mayor cuanto menos consistente sea el terreno y cuantas más cargas deba soportar. El tipo de cimentación se define cuando se conocen la estructura, las cargas y las características del terreno.

Tipos de Cimentación

1. Cimentaciones superficiales: De poca profundidad (1 a 2 m). Dependiendo de las cargas que recaen:
   • Cargas puntuales: Zapatas aisladas. Se usan cuando el edificio se basa en pilares o postes, sirviendo de apoyo a estos. Su tamaño depende de la carga transmitida y de la resistencia del terreno.
   • Cargas lineales: Zapatas corridas. Son cimentaciones de las paredes maestras o muros.
   • Cargas superficiales: Losas de cimentación. Caso especial para terrenos deficientes donde se prevén asientos diferenciales. Cubre toda la superficie del solar.
2. Cimentaciones profundas: Se utilizan cuando el terreno superficial es malo y la solución de la losa no es viable debido a las cargas del edificio. Es necesario recurrir a un método constructivo que permita llevar las cargas a capas del terreno más resistentes (a mayor profundidad). Se clasifican en:
   • Pilotes: Elementos portantes que se introducen en el terreno hasta profundidades considerables y sobre los que apoyan los pilares del edificio. La parte que une estos con los pilares se llama encepados y son dados de hormigón.
   • Muros pantalla: Utilizados para edificios con varios sótanos y presencia de agua (nivel freático alto). El muro es perimetral y se combina con pilotes en el centro del edificio.

5. Estructura Vertical

Es la parte que recibe las cargas de vigas y forjados y las transmite a los cimientos.

Tipos de Estructuras Verticales

1. Estructuras a base de muros de carga: Las cargas son transmitidas por los forjados a los muros. Estos también ejercen como cerramiento exterior. Han desaparecido por la llegada del acero laminado y el hormigón armado. Trabajan a compresión, por lo que se utilizan materiales como piedra natural y piedra artificial.
2. Estructuras de entramado o porticadas: Las cargas son transmitidas a entramados paralelos (forjados, vigas y pilares). Las cargas de uso las absorbe principalmente el forjado, que las transmite a las vigas, y estas a los pilares, que son los que llevan la carga hasta el terreno.

A diferencia de los muros de carga, las estructuras porticadas transmiten las cargas entre sus distintos elementos, dejando libres los muros, cuya única función es cerrar el edificio o realizar la distribución interna.

Elementos Lineales de las Estructuras Porticadas

• Pilar: Elemento portante vertical, de forma prismática. Puede tener diferentes secciones (circular, rectangular, cuadrada) y ser de hormigón armado, acero o madera. Su función es transmitir verticalmente las cargas a la cimentación.
• Viga: Elemento portante horizontal, que transmite cargas a los apoyos verticales sobre los que descansa. En acero, se usan perfiles en H o I. En hormigón armado, tiene forma prismática y se denomina jácena.
  • Son más resistentes cuanto mayor es su canto.
  • Resisten mejor cargas repartidas.

Tipos de Vigas según su Función

• Viga maestra o jácena: Viga principal que soporta otros elementos.
• Vigueta: Viga que sujeta el entramado; su repetición forma el tablero del techo.
• Viga brochal: Soporta cargas de otras vigas para crear huecos.
• Viga coja: Carga un extremo sobre una viga brochal.
• Viga riostra o de atado: Unen pórticos entre pilares de dos pórticos consecutivos.
• Viga de apoyo de muro: Evita la transmisión de cargas localizadas sobre el muro.

6. Forjados y Estructura Horizontal

El forjado es un elemento estructural horizontal cuya función es soportar cargas de uso. La rigidez de estos debe ser adecuada y su flecha debe estar limitada para evitar fisuras.

Funciones del Forjado

• Función resistente.
• Función separadora o aislante de plantas consecutivas.
• Proporcionar aislamiento acústico suficiente y contribuir al aislamiento térmico.
• Impedir la propagación del fuego.
• Garantizar una impermeabilización suficiente.

Clasificación según el Material

• F. de Hormigón estructural
• F. Metálicos
• F. Mixtos
• F. de Madera
• F. de Cerámica armada o pretensada

Clasificación según el Sistema de Transmisión de Cargas

Forjados Unidireccionales

Flectan en una dirección y transmiten cargas a las vigas, y estas a los soportes. Se componen de:

• Viguetas: Elemento estructural, lineal, prefabricado u in situ, horizontal, que transmite la carga a las vigas y/o brochales de forma ortogonal a ellas.
• Bovedillas: Bloques de hormigón, cerámica, porexpan o de otro material, situados entre los nervios del forjado. No tienen misión resistente; su fin es actuar como encofrado y molde para la capa de compresión.
• Zuncho de atado: Viga de hormigón realizada en la coronación del muro, con armaduras longitudinales y transversales.

Funciones del Zuncho de Atado

• La unión entre sí de las viguetas del forjado.
• La unión del muro o viga plana con el forjado.
• La transmisión uniforme de las cargas del forjado al muro o viga de apoyo.

• Brochal: Elemento estructural, lineal, horizontal, que recibe cargas de otros elementos del forjado y apoya al menos uno de sus extremos.
• Armadura de momentos negativos: Va sobre los ejes de las viguetas, para refuerzo de tracción, cuya longitud es ⅕ de la longitud de la vigueta.
• Capa de compresión: La rigidez y el reparto uniforme de cargas en este tipo de forjados se logran con una capa de hormigón armado que conecta todos los nervios. Se compone de un mallazo de acero que se coloca sobre las bovedillas.
  • Función: Al verter el hormigón, este rellena los huecos entre las bovedillas y viguetas, formando una capa de varios centímetros de espesor sobre ellas.

Forjados Bidireccionales (Retículados)

Este tipo de forjado se caracteriza por tener elementos resistentes o nervios en dos direcciones perpendiculares, creando una cuadrícula o «retícula».

Características Principales

• Alta Rigidez y Resistencia: Son excelentes para la transmisión de esfuerzos horizontales.
• Ejecución: Se realizan in situ (en obra) usando un encofrado de tipo ‘bañera invertida’ que define la cuadrícula.

Ventajas Clave

• No requieren vigas o jácenas tradicionales; la estructura se apoya directamente sobre pilares con capiteles.
• Los nervios funcionan como una viga continua en ambas direcciones, lo que resulta en menores deformaciones.
• Permite una gran flexibilidad en el diseño de las plantas, ya que la distribución interna no está limitada por las vigas.

7. Cubiertas y Cerchas

Una cubierta es la parte de la estructura que protege de las adversidades atmosféricas y es el techo del último espacio habitable. El tipo de cubierta depende de la climatología de la zona:

• En climas soleados y con poca lluvia, las cubiertas suelen ser planas u horizontales.
• En zonas lluviosas, predominan las cubiertas inclinadas.
• En zonas con grandes nevadas, las cubiertas tienen grandes pendientes para evitar acumular nieve y las sobrecargas que esta causa.

Cuando hay mucha separación entre muros o pilares de apoyo, se usan cerchas o cuchillos.

La Cercha

La cercha es una estructura de forma triangular, compuesta por conjuntos de piezas articuladas (barras). Estas se unen mediante juntas (cartelas) para formar nudos, creando un sistema indeformable. Las distintas barras que componen una cercha se denominan según su posición.

1.2 Estructuras de Hormigón Armado

1. Generalidades del Hormigón

El hormigón es un material de construcción constituido por rocas de tamaño limitado (áridos), que cumplen unas condiciones en cuanto a sus características mecánicas, químicas y granulométricas, unidas por una pasta aglomerante formada por un conglomerante (cemento) y agua. Es un compuesto con dureza similar a una roca, que puede ser fabricado totalmente in situ.

Su gran ventaja es la facilidad de moldeo, ya que toma la forma del encofrado en el que se vierte y alcanza, tras un periodo dado de endurecimiento, una gran resistencia a la deformación.

Componentes fundamentales: cemento, agua, áridos y, en ocasiones, aditivos y adiciones.

2. Componentes del Hormigón

A. Cementos (Conglomerantes)

Los conglomerantes son materiales capaces de adherirse a otros y dar cohesión al mismo tiempo.

Tipos de Conglomerantes

• Aéreos: Los que, mezclados con agua, fraguan y endurecen al aire, pero no son resistentes al agua.
• Hidráulicos: Amasados con agua, fraguan y endurecen tanto al aire como sumergidos en agua.

Fraguado: Es la trabazón y consistencia iniciales de un conglomerante. Una vez fraguado, el material puede seguir endureciendo.

El Cemento Pórtland

El cemento es un conglomerante hidráulico, un polvo mineral artificial que, al mezclarse con agua, forma una pasta. Esta pasta reacciona químicamente (se hidrata), fragua y se endurece a causa de las reacciones de hidratación, dando lugar a productos resistentes y estables, tanto al aire como bajo el agua.

Propiedades del Cemento

• Moldeable
• Resistente
• Duradero

El cemento se obtiene por molturación conjunta en un molino de bolas de Clínker (una «roca» obtenida calcinando caliza, arcilla, arena y mineral de hierro a 1350ºC – 1450ºC) y piedra de yeso.

Designación de Cementos Comunes (CEM)

• CEM I: Cemento Pórtland.
• CEM II: Cementos Pórtland con adiciones (contenido de adiciones 6-20%).
• CEM III, CEM IV y CEM V: Cementos con escorias de horno alto, cementos puzolánicos y cementos compuestos (contenido de adiciones > 20%).

B. Agua

El agua usada para el amasado del hormigón no debe contener ningún ingrediente dañino en cantidades que afecten a las propiedades del hormigón o a la protección de las armaduras frente a la corrosión. Podrán emplearse aguas de mar o aguas salinas análogas para el amasado de hormigones que no contengan armadura alguna.

C. Áridos

Materiales granulares inertes, inorgánicos y de procedencia natural o artificial que contribuyen a la estabilidad de volumen, resistencia y economía de los morteros y hormigones.

Tipos de Áridos

• Áridos naturales: Proceden de la naturaleza y se encuentran para su explotación en canteras, graveras o grandes depósitos.
• Áridos artificiales: Obtenidos mediante un proceso industrial a partir de materiales inorgánicos u orgánicos.
• Áridos reciclados: Procedentes de derribos de edificaciones y estructuras.

Según su tamaño, pueden ser árido fino, árido grueso o árido total.

D. Aditivos

Sustancias que, al incorporarse al hormigón antes, durante o en el transcurso de su amasado, producen la modificación deseada, en estado fresco o endurecido, de alguna de sus características, propiedades habituales o comportamiento.

3. Tipos de Hormigón

Clasificación según su Composición y Esfuerzos

Hormigón en masa

Apto para resistir únicamente esfuerzos de compresión.

Hormigón armado

Provisto de armaduras pasivas, dimensionadas y dispuestas en la masa, lo cual le hace apto para resistir esfuerzos combinados de tracción y compresión.

Hormigón pretensado

Previo a su endurecimiento, sus armaduras de acero especial están sometidas a un esfuerzo de tracción.

Hormigón postensado

Se realiza vertiendo la masa en el encofrado donde previamente se han dejado unas vainas, cuyos aceros se tensan una vez endurecido el hormigón.

Clasificación según su Puesta en Obra

Hormigón ciclópeo

Con mampuestos embebidos de dimensiones superiores a los 30 cm.

Hormigón inyectado

Resultado de inyectar un mortero en el interior de un encofrado donde se ha colocado previamente el árido grueso.

Hormigón sumergido

Se coloca en fresco debajo del agua.

Hormigón vibrado

Se consolida por vibración para incrementar su compacidad.

Hormigón bombeado

Se transporta de forma continua al ser impulsado a través de una tubería o manguera.

Hormigón centrifugado

Una vez moldeado, se somete a un proceso de centrifugación, produciendo su compactación.

Hormigón proyectado

Se conduce el hormigón o mortero a lo largo de un tubo provisto de una boquilla por la que sale lanzado a gran velocidad.

Hormigón reforzado con fibras

Incorpora fibras cortas que, amasadas conjuntamente, se dispersan uniformemente en su masa.

Hormigón seco compactado con rodillo

Mezclas que en estado fresco permiten la circulación de rodillos vibrantes que posibilitan su compactación.

Hormigón autocompactante

Sin necesidad de vibración (ni otro tipo de compactación), es capaz de rellenar todos los rincones del encofrado, a través de la armadura, sin que se produzca segregación del árido grueso.

4. Hormigón Fresco

El hormigón fresco es aquel que, por poseer plasticidad, tiene la facultad de poder moldearse. Manifiesta estas condiciones desde el momento en que abandona la amasadora hasta que se inicia el fraguado del cemento que contiene. Este periodo de tiempo es variable, dependiendo del tipo de cemento empleado, de la dosificación de agua, de la temperatura, de la utilización de aditivos, etc.

Consistencia

Capacidad que presenta el hormigón para deformarse y moldearse en estado fresco. La prueba más utilizada para determinar la consistencia es el Método del cono de Abrams.

Hormigón homogéneo

Aquel en el que, en cualquier parte de su masa, los componentes están perfectamente mezclados y en la proporción prevista al diseñar la mezcla.

Defectos del Hormigón Fresco

• Segregación: Los componentes del hormigón se separan unos de otros y se decantan de acuerdo con su tamaño y densidad.
• Exudación: Forma de segregación en la que el agua tiende a elevarse hacia la superficie del hormigón como consecuencia de la incapacidad de los áridos de arrastrarla con ellos al irse compactando. Esto crea en la superficie del hormigón una capa delgada, débil y porosa, sin resistencia ni durabilidad.

5. Fabricación y Transporte del Hormigón

La fabricación requiere de un almacenamiento de materias primas, instalaciones de dosificación y un equipo de amasado.

Amasado

El amasado del hormigón tiene por finalidad recubrir a los áridos de una capa de pasta de cemento y mezclar a todos los componentes hasta conseguir una masa uniforme. Se realiza en amasadoras u hormigoneras.

El tiempo mínimo de amasado es en torno al minuto y medio, algo más si se emplean aditivos, ya que debe garantizarse su distribución homogénea dentro de la masa.

Transporte

El transporte puede realizarse por distintos medios, dependiendo de la distancia existente entre el punto de amasado y el de colocación, así como de las características de la obra. Deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

• Que no se produzca una desecación de la masa durante el transporte.
• El tiempo transcurrido entre la adición de agua del amasado al cemento y a los áridos y la colocación del hormigón no debe ser mayor de hora y media.
• Los equipos de transporte deben estar limpios.
• Se deberá evitar que se produzcan vibraciones excesivas durante el transporte.
• No es conveniente dividir una misma amasada en transportes distintos.
• El volumen de hormigón transportado no deberá exceder del 80% del volumen total del tambor si se amasa completamente en la central. En caso de que se amase en una amasadora móvil, el volumen no excederá de los 2/3 del volumen total del tambor.

6. Resistencia a Compresión del Hormigón

La propiedad más importante del hormigón en masa es su resistencia a compresión. La relación agua-cemento de la mezcla es lo que más afecta a esta resistencia. Un hormigón con gran cantidad de agua será muy poroso, retraerá en exceso y tendrá una resistencia a compresión baja.

7. El Hormigón Armado y Pretensado

• Hormigón Armado: Resiste esfuerzos de compresión con el hormigón y esfuerzos de tracción con armaduras de acero.
• Hormigón Pretensado: Se somete a una compresión previa mediante el tensado de armaduras activas, lo que mejora el comportamiento frente a la tracción y evita la fisuración.

El hormigón por sí solo es un material que resiste bien a compresión, pero tiene baja resistencia a tracción. En caso de necesitar un material que resista la tracción, se introduce el acero, que debe colocarse en las zonas donde es más necesario (donde se desarrollan las tracciones). Este conjunto se denomina hormigón armado.

8. Particularidades del Hormigón Armado como Material Compuesto

• El hormigón genera cal libre durante su fraguado y endurecimiento, lo que hace que tenga un pH muy elevado. Este ambiente alcalino protege al acero de un posible proceso de corrosión.
• El acero es vulnerable frente a la acción del fuego, pero al estar recubierto por una capa de hormigón, este lo aísla.
• Es importante cuidar el recubrimiento de las barras de acero para que el CO₂ no penetre por los poros del hormigón y reaccione con la cal libre, ya que esto puede degradar el hormigón y dejar expuesto el acero frente a la corrosión (carbonatación).

9. Armadura Pasiva

Son elementos de acero soldable introducidos en el encofrado cuya función estructural es soportar las tracciones que el hormigón no resiste, aportándole el nivel de ductilidad necesario y una mayor deformabilidad antes de llegar a la rotura.

• Si las barras son colocadas sin tensión, se les denomina armadura pasiva.
• Cuando se coloca armadura tensada, esta transmite su tensión a la masa de hormigón, denominándose armadura activa.

Otros materiales como fibras de vidrio, lañas de acero, fibras de carbono, etc., pueden emplearse para mejorar la resistencia a tracción del hormigón, aunque no se suelen usar como armadura principal.

Productos de Acero para Armaduras Pasivas

• Barras rectas o rollo de acero corrugado soldable.
• Alambres de acero corrugado o grafilado soldable.
• Alambres lisos de acero soldable.

Tipos de Armaduras

• Armaduras normalizadas: Mallas electrosoldadas o armaduras básicas electrosoldadas en celosía.
• Armadura elaborada: Elementos que resultan de aplicar enderezado, corte y doblado al acero corrugado.
• Ferralla armada: Resultado de atar las armaduras elaboradas con alambre o soldadura no resistente.
• Armadura pasiva (final): Resultado de montar la ferralla armada o las armaduras normalizadas en el molde o encofrado.

10. Encofrados

Los encofrados son moldes temporales donde se vierte el hormigón fresco hasta que adquiera forma y resistencia suficientes. Deben ser resistentes, indeformables, estancos, de superficie lisa y deben permitir el desmolde sin dañar la pieza ni el encofrado.

Clasificación según su Posición

Encofrados Horizontales

Se usan puntales o cimbras para que soporten las diferentes cargas de los materiales. Se emplean para las losas de puentes o forjados de edificación.

• Superficie encofrante: Facilita la transmisión de cargas.
• Estructura horizontal: Con vigas y correas. Traslada la carga de la superficie anterior a la estructura vertical.
• Estructura vertical: Con puntales, transmite cargas al terreno o forjados interiores.

Encofrados Verticales

Se usan para la construcción de pilares, columnas y muros.

• Sistema encofrante: Soporta la presión y da textura.
• Estructura de soporte: Con costillas de refuerzo y marco exterior.

Nota: El sistema de construcción es caro y pesado.

Encofrado Continuo o Deslizante

Cuenta con moldes de poca altura, formando secciones continuas a medida que se desplaza. El proceso de armado, encofrado, hormigonado y desmolde suceden al mismo tiempo. Se usan en la ejecución de pilas y tableros de puentes, depósitos, etc. Se utiliza un sistema de elevación hidráulico para su instalación.

Encofrado Perdido

Se coloca en el lugar de vertido del hormigón y no se retira, formando parte de la estructura. Se usan planchas de poliuretano, cartón o de otro material. Ahorra tiempo y mano de obra, y actúa como aislante.

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