TESIS ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS METÁLICAS TIPO PARA

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS METÁLICAS TIPO PARABOLOIDE
HIPERBÓLICO INVERTIDO Y TIPO CERCHAS SOMETIDAS A SISMOS
Trabajo Especial de Grado presentado
ante la Universidad Rafael Urdaneta para optar al título de:
INGENIERO CIVIL
Autores:
Br. Héctor Bravo.
C.I. 21.421.418
Br. Laura Giménez
C.I: 19.436.328
Tutora Académica:
MSC. Xiomara Orozco.
Maracaibo, abril de 2015
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ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS METÁLICAS TIPO PARABOLOIDE
HIPERBÓLICO INVERTIDO Y TIPO CERCHAS SOMETIDAS A SISMOS
____________________________
Bravo Vílchez, Héctor José
C.I: 21.421.418
Urb. La Coromoto, calle 164 casa Nº
42A – 128. San Francisco, Zulia.
0261 – 7328349/0424 – 6410242
hjbravo@hotmail.com
_____________________________
Giménez Morales, Laura Beatriz
C.I: 19.436.328
Urb. La Guzmana, vereda 3 c asa Nº 1.
Carora, Lara.
0252 – 410709/0414 – 6011869
lau_gimenez13@hotmail.com
_________________________
Ing. Xiomara Orozco. Msc
5.049.538
Tutora Académica
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DEDICATORIA
En primer lugar, quiero dedicar este Trabajo Especial de Grado a Dios, por darme
las herramientas para lograr cada una de mis metas.
A mis padres, pues sin su apoyo y lecciones no sería la persona que soy hoy día,
ni tendría ambición por alcanzar las metas que me he planteado en mi vida.
A mis familiares y amigos, quienes de una u otra manera han tenido un efecto
positivo en mi vida y las decisiones que he tomado a lo largo de este camino.
Finalmente, a mi compañera de investigación, Laura Giménez, con quien he
compartido momentos difíciles y quien me ha incentivado a salir adelante frente a
tantas dificultades para lograr nuestros objetivos.
Héctor José.
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DEDICATORIA
Este Trabajo Especial de Grado primeramente se lo dedico a Dios y a la Virgen
Divina Pastora por regalarme cada uno de los días que me permitieron llegar a
esta meta que tanto soñé, llenándome de bendiciones todo el tiempo.
A mis padres, por su amor y apoyo incondicional en todo momento, quienes me
dieron fuerzas para seguir superándome. En especial a mi madre, que siempre ha
estado a mi lado en las buenas y en las malas, dándome lo mejor de ella.
A mi tío Jorge, por brindarme la oportunidad de formarme como una gran
profesional. Siempre agradecida contigo tío, te quiero.
A mi Tía María, quien con sus consejos me ayudó a crecer, a distinguir lo bueno
de lo malo, y por estar pendiente de cada paso que doy.
A mi abuela María Celestina, que me cuida, me acompaña, me guía, me ilumina y
desde el cielo está muy orgullosa de este logro.
A mi tío Eddie, por compartir muchos momentos importantes en mi vida y ser el
mejor tío loco con el que puedo contar. A mi familia en general gracias.
A mi compañero de investigación, Héctor Bravo, por compartir conmigo sus
conocimientos y apoyarme a lo largo de éste, nuestro Trabajo Especial de Grado,
incentivándome para seguir y alcanzar nuestros objetivos.
Laura Beatriz.
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AGRADECIMIENTO
Quisiéramos extender un muy especial agradecimiento a las siguientes
instituciones y personas, por sus contribuciones y apoyo durante la realización de
este Trabajo Especial de Grado:
A nuestra ilustre alma mater, Universidad Rafael Urdaneta (URU), por abrirnos sus
puertas y proveernos de una educación de calidad, innovadora y plena de valores:
Gracias a todos sus directivos y docentes, vemos hoy día alcanzado este valioso
título de Ingeniero Civil.
A nuestra honorable Tutora Académica, Ing. Xiomara Orozco, por sus sabias
orientaciones y apoyo en todo momento, en especial en los más difíciles; por su
paciencia y confianza en nuestro trabajo.
A nuestra valiosa Profesora de Metodología de la Investigación, Ing. Ángela Finol
MSc., por hacernos ver la importancia de la aplicación del método científico en pro
del desarrollo exitoso de este Trabajo Especial de Grado.
¡Infinitas gracias a todos!
Héctor José y Laura Beatriz.
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ÍNDICE GENERAL
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RESUMEN..................................................................................................... 13
ABSTRACT.................................................................................................... 14
INTRODUCCIÓN........................................................................................... 15
1. CAPÍTULO I. EL PROBLEMA................................................................... 17
1.1. Planteamiento del problema.................................................................... 17
1.2. Objetivos de la investigación.................................................................. 20
1.2.1. Objetivo general................................................................................... 20
1.2.2. Objetivos específicos........................................................................... 21
1.3. Justificación de la investigación.............................................................. 21
1.4. Delimitación de la Investigación............................................................. 22
1.4.1. Temporal.............................................................................................. 22
1.4.2. Espacial............................................................................................... 23
1.4.3. Científica.............................................................................................. 23
2. CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO............................................................. 24
2.1. Antecedentes de la investigación........................................................... 24
2.2. Bases teóricas........................................................................................ 29
2.2.1. Principios de sismología...................................................................... 30
2.2.1.1. Sismos.............................................................................................. 30
2.2.1.2. Origen de los sismos........................................................................ 31
2.2.1.3. Clases de sismos.............................................................................. 31
2.2.1.4. Intensidad y magnitud sísmica......................................................... 32
2.2.2. Diseño estructural................................................................................ 36
2.2.2.1. Diseño estructural sismorresistente.................................................. 37
2.2.3. Materiales constructivos: acero........................................................... 39
2.2.3.1. Propiedades del acero estructural.................................................... 40
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2.2.3.2. Ventajas y desventajas del acero estructural................................... 41
2.2.4. Estructuras metálicas.......................................................................... 43
2.2.4.1. Estructuras metálicas tipo cercha..................................................... 43
2.2.4.2. Estructuras metálicas tipo paraboloide hiperbólico.......................... 50
2.2.5. Predimensionamiento de los elementos estructurales........................ 55
2.2.6. Cargas................................................................. ................................ 56
2.2.7. Normas del Instituto Americano de Construcción de Acero (AISC).. 57
2.2.7.1. Consideraciones generales.............................................................. 58
2.2.7.2. Solicitaciones y combinaciones de cargas....................................... 59
2.2.7.3. Elementos estructurales................................................................... 61
2.2.8. Programa de análisis y diseño........................................................... 62
2.3. Definición de términos básicos............................................................... 62
2.4. Sistema de variables..............................................................................64
2.4.1. Variable: Estructuras metálicas tipo paraboloide hiperbólico invertido
y Estructuras metálicas tipo cercha............................................................... 64
2.4.1.1. Definición conceptual........................................................................ 64
2.4.1.2. Definición operacional...................................................................... 64
3. CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO............................................... 67
3.1. Tipo de investigación.............................................................................. 67
3.2. Diseño de la investigación...................................................................... 70
3.3. Población y muestra............................................................................... 72
3.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos.................................. 76
3.5. Procedimiento metodológico.................................................................. 78
3.5.1. Diseño de una estructura metálica del tipo paraboloide hiperbólico
invertido con carga sísmica bajo la norma AISC-LRFD 1756......................... 78
3.5.2. Diseño de una estructura metálica del tipo cercha con carga sísmica
bajo la norma AISC-LRFD 1756.................................................................... 89
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3.5.3. Análisis del comportamiento de las estructuras metálicas del tipo
paraboloide hiperbólico invertido y del tipo cercha con cargas sísmicas
bajo la norma AISC-LRFD 1756.................................................................... 97
4. CAPÍTULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN......................... 99
4.1. Diseño de una estructura metálica del tipo paraboloide hiperbólico
invertido con carga sísmica bajo la norma AISC-LRFD 1756......................... 99
4.2. Diseño de una estructura metálica del tipo cercha con carga sísmica
bajo la norma AISC-LRFD 1756.................................................................... 106
4.3. Análisis del comportamiento de las estructuras metálicas del tipo
paraboloide hiperbólico invertido y del tipo cercha con cargas sísmicas
bajo la norma AISC-LRFD 1756.................................................................... 111
CONCLUSIONES.......................................................................................... 119
RECOMENDACIONES.................................................................................. 122
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................. 123
ANEXOS........................................................................................................ 127
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ÍNDICE DE TABLAS
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2.1. Escala de intensidades de Mercalli modificada....................................... 33
2.2. Escala de Richter..................................................................................... 36
2.3. Aceros permitidos para uso sísmico........................................................ 60
2.4. Valores de Ry y Rt para aceros estructurales de uso común................... 61
2.5. Operacionalización de las variable.......................................................... 66
3.1. Características de la población................................................................ 73
3.2. Estructura A (MTPHI). Cálculo del espectro sísmico horizontal.............. 79
3.3. Estructura A (MTPHI). Cálculo del espectro sísmico vertical.................. 80
4.1. Geometría de la estructura A (MTPHI).................................................... 100
4.2. Geometría de la estructura B (MTC)........................................................ 106
4.3. Especificaciones de la cercha – Estructura B (MTC)............................... 106
4.4. Periodos de vibración para cada estructura (MTPHI y MTC).................. 111
4.5. Comparación entre los cortes basales en X de cada estructura (MTPHI
y MTC)............................................................................................................ 112
4.6. Comparación entre los cortes basales en Z de cada estructura (MTPHI
y MTC)............................................................................................................ 113
4.7. Comparación del desplazamiento máximo entre estructuras (MTPHI y
MTC)............................................................................................................... 114
4.8. Comparación entre momentos bajo cargas verticales y laterales entre
estructuras (MTPHI y MTC)............................................................................ 115
4.9. Comparación entre geometría de las estructuras (MTPHI y MTC) –
Columnas........................................................................................................ 116
4.10. Comparación entre geometría de las estructuras (MTPHI y MTC) –
Vigas........................................................................... .................................... 117
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ÍNDICE DE FIGURAS
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2.1. Elementos de un sismo............................................................................ 30
2.2. Esquema de cercha................................................................................. 44
2.3. Relación entre cable, arco y cercha......................................................... 44
2.4. Algunos tipos comunes de cerchas......................................................... 45
2.5. Esquemas de cartela en madera y acero................................................ 46
2.6. Tipos de cerchas paralelas...................................................................... 46
2.7. Tipos de cerchas para puentes................................................................ 47
2.8. Tipos de cerchas para entrepiso.............................................................. 47
2.9. Estación de servicio del municipio Maracaibo con techado tipo
cercha............................................................................................................. 47
2.10. Estructuras laminares con y sin curvatura............................................. 51
2.11. Ecuaciones del paraboloide hiperbólico................................................ 52
2.12. Estado tensional de la membrana del paraboloide hiperbólico............. 53
2.13. Paraboloide hiperbólico invertido experimental de principios del siglo
XX................................................................................................................... 54
2.14. Antigua estación de servicio del municipio Maracaibo tipo paraboloide
hiperbólico invertido........................................................................................ 54
2.15. Ductibilidad............................................................................................ 58
2.16. Ductilidad en función del tipo de acero empleado................................. 60
3.1. Estructura A (tipo paraboloide hiperbólico invertido) – vista frontal........ 74
3.2. Estructura A (tipo paraboloide hiperbólico invertido) – vista cenital....... 74
3.3. Estructura B (tipo cercha) – vista frontal.................................................. 75
3.4. Estructura B (tipo cercha) – vista cenital................................................. 75
3.5. Estructura A (MTPHI). Espectro de respuesta y diseño según Norma
AISC-LRFD 1756 (cargas horizontales)......................................................... 80
3.6. Estructura A (MTPHI). Espectro de respuesta y diseño según Norma
AISC-LRFD 1756 (cargas verticales)............................................................ .. 81
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3.7. Estructura A (MTPHI). Creación de geometría – Parte 1........................ 82
3.8. Estructura A (MTPHI). Creación de geometría – Parte 2........................ 82
3.9. Estructura A (MTPHI). Asignación de material....................................... 83
3.10. Estructura A (MTPHI). Asignación desoportes..................................... 83
3.11. Estructura A (MTPHI). Asignación de secciones................................... 84
3.12. Estructura A (MTPHI). Leyenda de secciones....................................... 84
3.13. Estructura A (MTPHI). Asignación de cargas – Parte 1......................... 85
3.14. Estructura A (MTPHI). Asignación de cargas – Parte 2......................... 85
3.15. Estructura A (MTPHI). Construcción del espectro sísmico.................... 86
3.16. Estructura A (MTPHI). Creación de combinaciones de cargas............. 86
3.17. Estructura A (MTPHI). Asignación de parámetros de diseño – Parte 1 87
3.18. Estructura A (MTPHI). Asignación de parámetros de diseño – Parte 2 87
3.19. Estructura A (MTPHI). Simulación estructural definida.......................... 88
3.20. Estructura A (MTPHI). Representación 1.............................................. 88
3.21. Estructura A (MTPHI). Representación 2.............................................. 89
3.22. Estructura A (MTPHI). Representación 3.............................................. 89
3.23. Estructura B (MTC). Creación de geometría – Parte 1.......................... 90
3.24. Estructura B (MTC). Creación de geometría – Parte 2.......................... 91
3.25. Estructura B (MTC). Asignación de material.......................................... 91
3.26. Estructura B (MTC). Asignación de soportes......................................... 92
3.27. Estructura B (MTC). Asignación de secciones...................................... 92
3.28. Estructura B (MTC). Leyenda de secciones.......................................... 93
3.29. Estructura B (MTC). Asignación de cargas............................................ 93
3.30. Estructura B (MTC). Construcción de espectro sísmico........................ 94
3.31. Estructura B (MTC). Creación de combinaciones cargas...................... 94
3.32. Estructura B (MTC). Asignación de parámetros de diseño.................... 95
3.33. Estructura B (MTC). Simulación estructural definida............................. 95
3.34. Estructura B (MTC). Representación 1.................................................. 96
3.35. Estructura B (MTC). Representación 2.................................................. 96
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3.36. Estructura B (MTC). Representación 3.................................................. 97
4.1. Tabla de periodos Estructura A (MTPHI)................................................. 101
4.2. Estructura A (MTPHI). Corte basal en dirección X.................................. 102
4.3. Estructura A (MTPHI). Corte basal en dirección Y.................................. 103
4.4. Estructura A (MTPHI). Desplazamiento máximo cargas permanentes... 104
4.5. Estructura A (MTPHI). Momentos bajo cargas verticales y laterales....... 105
4.6. Tabla de periodos Estructura B (MTC).................................................... 107
4.7. Estructura B (MTC). Corte basal en dirección X...................................... 108
4.8. Estructura B (MTC). Corte basal en dirección Y...................................... 109
4.9. Estructura B (MTC). Desplazamiento máximo cargas permanentes....... 110
4.10. Estructura B (MTC). Momentos bajo cargas laterales y verticales........ 110
4.11. Comparación de los periodos de vibración de cada estructura (MTPHI
y MTC)............................................................................................................ 112
4.12. Comparación entre los cortes basales en X de cada estructura
(MTPHI y MTC)............................................................................................... 113
4.13. Comparación entre los cortes basales en Z de cada estructura
(MTPHI y MTC)...................................................................... ......................... 114
4.14. Comparación del desplazamiento máximo entre estructuras (MTPHI y
MTC)............................................................................................................... 115
4.15. Comparación de los momentos bajo cargas verticales y laterales
entre estructuras (MTPHI y MTC)................................................................... 116
4.16. Comparación entre peso/m de las columnas de cada estructura
(MTPHI y MTC)............................................................................................... 117
4.17. Comparación entre peso/m de las vigas de cada estructura (MTPHI y
MTC).......................................................................................................... ..... 118
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Bravo V., Héctor J., Giménez M., Laura B. “Análisis de estructuras metálicas
tipo paraboloide hiperbólico invertido y tipo cerchas sometidas a sismos”.
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Civil. Universidad.
Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil, 2015.
Maracaibo, Venezuela. 136 p.
RESUMEN
El presente estudio tuvo como propósito analizar el comportamiento de las
estructuras tipo paraboloide hiperbólico invertido y del tipo convencional con
cargas sísmicas bajo la norma AISC-LRFD 1756, según teorías de autores como
Miranda (2012), Segura (2009), De Mattos (2006) y Fratelli (2003), entre otros,
siendo de tipo proyectivo, aplicado, descriptivo y comparativo, con diseño
bibliográfico no experimental-transeccional, cuya población fueron estaciones de
servicio construidas bajo modalidad de estructuras metálicas tipo paraboloide
hiperbólico invertido o tipo cercha en el municipio Maracaibo del estado Zulia, con
una muestra intencional de 2 modelos referenciales, uno de cada tipo, en las
parroquias Santa Lucía y Juana de Ávila, respectivamente. La técnica de
recolección de datos fue la observación directa y documental-bibliográfica, usando
una hoja de registro como instrumento para elaborar bocetos de cada estructura
con sus medidas y materiales constructivos, los cuales fueron trasladados al
programa STAAD-PRO según parámetros de la Resolución Nº 241-PDVSA
(1980), realizando la simulación de cada estructura en 3D y aplicando cargas
sísmicas a éstas para luego realizar un análisis comparativo de los resultados
obtenidos, teniendo como resultado más relevante que las estructuras metálicas
tipo cercha poseen mejor comportamiento ante la aplicación de cargas sísmicas
según la norma AISC-LRFD 1756.
Palabras Clave: Cerchas, Estructuras Metálicas, Paraboloide Hiperbólico
Invertido, Sismos.
hjbravo@hotmail.com, lau_gimenez13@hotmail.com
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Bravo V., Héctor J., Giménez M., Laura B. “Analysis of metal structures type
inverted hyperbolic paraboloid and type trusses subjected to seisms”.
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Civil. Universidad.
Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil, 2015.
Maracaibo, Venezuela. 136 p.
ABSTRACT
The purpose of this study was to analyze the behavior of metal structures type
inverted hyperbolic paraboloid and type conventional with seismic loads under the
standard AISC-LRFD 1756, according to theories of authors such as Miranda
(2012), Segura (2009), De Mattos (2006) and Fratelli (2003), among others, being
projective, applied, descriptive and comparative, with a bibliographic, non-
experimental and transversal design, which population were service stations built
in the form of metal structures type inverted hyperbolic paraboloid or type truss in
the municipality Maracaibo of Zulia State, with an intentional sample of 2 reference
models, one of each type, in the parishes Santa Lucía and Juana Avila,
respectively. The technique of data collection was the observation, both direct and
documental-bibliographical, using a sheet of record as an instrument to develop
sketches of each structure with their measures and building materials, which were
extrapolated to the program STAAD-PRO under the parameters of the Resolution
Nº 241-PDVSA (1980), generating each structure simulation in 3D and applyingseismic loads to them, making a comparative analysis of the results, having as
most relevant result that metal structures type truss have better performance under
the application of seismic loads according to the standard AISC-LRFD 1756.
Key Words: Inverted Hyperbolic Paraboloid, Metal Structures, Trusses, Seisms.
hjbravo@hotmail.com, lau_gimenez13@hotmail.com
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CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Este apartado expone la problemática en cuanto al comportamiento de las
estructuras metálicas tipo paraboloide hiperbólico invertido y tipo cercha ante
acciones sísmicas, destinadas al uso como estaciones de servicio de combustible,
cerrando el planteamiento con la respectiva formulación del problema y
continuando con los objetivos del estudio (general/específicos), su justificación
(práctica, teórica, metodológica, socioeconómica) y su delimitación (temporal,
espacial, científica).
1.1. Planteamiento del problema
Las cubiertas formadas por paraboloides hiperbólicos se encuentran dentro de las
llamadas estructuras laminares o membranas. Este tipo de estructura viene
construyéndose de manera regular desde la primera mitad del siglo XX. Para su
desarrollo, fue necesaria la investigación desde distintas disciplinas como la
geometría, el cálculo y las ciencias de los materiales, como indica Segura (2009),
siempre en búsqueda del mejor aprovechamiento estructural.
Las estructuras laminares, acota la citada autora, son elementos utilizados para
cubrir espacios donde predominan las dimensiones de las curvas del paraboloide
sobre el espesor. Según Tomás, Martí y Solana (2002), su forma y continuidad
estructural es lo que las hace funcionar; para ello, tienen que ser lo
suficientemente delgadas, en pro de no desarrollar importantes tensiones de
flexión, corte o torsión.
Para que esto ocurra, existen requerimientos en relación a la carga. Ésta debe ser
uniformemente distribuida y no presentar variaciones bruscas o cargas puntuales,
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con una forma que la haga resistir y un contorno de condiciones de borde que
estén libres de flexiones con el resto de la superficie, como explica Torroja (1996).
Entre las estructuras laminares, existen tres grandes grupos: las de superficie sin
curvatura, las de curvatura simple y las de curvatura doble, que pueden ser de
curvatura total positiva (clásica) o de curvatura total negativa (anti-clásica); en ésta
última se encuentra el paraboloide hiperbólico.
Dentro de los paraboloides hiperbólicos están los llamados paraguas, diseñados
por el Arquitecto Félix Candela (1910-1997), cuya planta rectangular abarca cuatro
mantos unidos en el centro en cuatro rectas inclinadas y una sola columna central.
Éstos tienen, según Segura (2009), una gran ventaja, al generarse de una recta
apoyada sobre otras dos (paralelas o no), como superficie con dos sistemas de
generatrices rectilíneas que facilitan su adaptación a plantas ortogonales típicas
de la arquitectura moderna.
Pronto se hallaron diversas variantes de paraguas, como las formas de planta
hexagonal o triangular, la introducción de una costilla diagonal curva en pro de
aumentar el tamaño y la asimetría con diversas inclinaciones para permitir el paso
de luz. Pero uno de los más desarrollados ha sido, a criterio de Segura (2009), el
paraboloide hiperbólico invertido, al ser una forma muy económica de cubrir
espacios. Con éste, se comenzaron a techar grandes naves industriales,
gasolineras y demás lugares donde se mueven vehículos.
En este sentido, para los años 50 en Venezuela se comienza la construcción de
gasolineras o estaciones de servicio bajo el modelo del paraboloide hiperbólico
invertido, adaptándose a la arquitectura moderna de la nación, pero con el paso
del tiempo, se remplazaron estas estructuras laminares por estructuras tipo
cercha, definidas por Miranda (2012, p.1) como “una composición de barras rectas
unidas entre sí en sus extremos para constituir una armazón rígida de forma
triangular, capaz de soportar cargas en su plano, particularmente aplicadas sobre
las uniones llamadas nodos”.
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La utilización de cerchas, a criterio del citado autor, permite abarcar grandes luces
sin necesidad de colocar gran cantidad de columnas intermedias, debido a su
comportamiento estructural, donde cada elemento trabaja en conjunto con el resto
de los componentes de la estructura, pues todos están unidos entre sí, evitando
de esta manera que se produzcan momentos. A tal efecto, se utiliza una columna
central donde se apoyan dos cerchas en forma de cruz.
Sobre este particular, cabe destacar que ninguna estructura construida en el país
está a salvo de un movimiento sísmico que pueda ocasionar daños, algunos de
éstos, irreparables. Estos daños son proporcionales no sólo a la intensidad del
sismo, sino al tiempo que lleva erigida la construcción, pues los materiales
empleados se desgastan o degradan. Por ende, una estructura bien diseñada
tendría menos probabilidades de colapsar ante un sismo, evitando pérdidas tanto
humanas como materiales, según Miranda (2005).
En las estructuras, se debe garantizar no sólo su resistencia a las acciones
sísmicas, sino también minimizar daños a nivel estructural, como indica la
Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN) en su Norma 1756:2001
Edificaciones Sismorresistentes Partes 1 y 2 (Requisitos y Comentarios), donde se
establecen los criterios de análisis y diseño de edificaciones en zonas sísmicas,
con el propósito de proteger vidas, aminorar en lo posible los daños esperados y
mantener operativas las edificaciones esenciales después de sufrir los efectos de
vibraciones intensas de terreno.
Así, con el pasar de los años en Venezuela se ha tomado en cuenta dicha Norma,
al estar dentro del conjunto de modernas normas internacionales, como las
emanadas por el American Institute of Steel Construction (AISC) sobre el Diseño
por Factores de Carga y Resistencia (DFCR) o Norma AISC-LRFD 1756, que
atienden el problema de análisis/diseño sismorresistente de las edificaciones
típicas, como porción considerable de las construcciones en territorio venezolano,
y tal es el caso de las estaciones de servicio.
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La norma AISC-LRFD 1756, dicta los pasos a seguir al momento de diseñar
cualquier tipo de edificación sismorresistente, donde el diseño por factores de
carga y resistencia (DFCR) o load and resistance factor design (LRFD), permite
determinar las acciones (cargas o momentos) presentadas en las secciones
críticas de un miembro estructural o una estructura completa de acero bajo el
efecto de las acciones de diseño o cargas factorizadas.
A pesar que el territorio venezolano es considerado una zona sísmica no activa,
algunas regiones como la andina, la central y la insular-este presentan el riesgo
latente de movimientos telúricos, donde además en la Región Occidental y
territorio fronterizo se perciben ondas expansivas de sismos ocurridos en
Colombia, especialmente en el estado Zulia, lo cual plantea la posibilidad de
colapso de edificaciones y pérdidas humanas; por ende, se hace necesario, desde
el punto de vista estructural, el asumir el uso y dar cumplimiento a las Normas
COVENN 1756:2001 y AISC-LRFD 1756, en cuanto a edificaciones
sismorresistentes construidas en acero.
Debido a lo antes expuesto, se pretende analizar ambos diseños (tipo paraboloide
hiperbólico invertido y tipo cercha) a nivel estructural bajo los efectos de actividad
o cargas sísmicas, efectuando una comparación analítica en pro de identificar
aquella estructura que responda de manera más óptima antes tales cargas. Es por
ello que los investigadores se preguntan ¿cuál de las dos estructuras tiene mejor
comportamiento bajo cargas sísmicas según el método de diseño por factores de
carga y resistencia?
1.2. Objetivos de la investigación
1.2.1. Objetivo general
Analizar el comportamiento de las estructuras metálicas del tipo paraboloidehiperbólico invertido y del tipo convencional con cargas sísmicas bajo la norma
AISC-LRFD 1756.
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1.2.2. Objetivos específicos
 Diseñar una estructura metálica del tipo paraboloide hiperbólico invertido con
carga sísmica bajo la norma AISC-LRFD 1756.
 Diseñar una estructura metálica del tipo cercha con carga sísmica bajo la
norma AISC-LRFD 1756.
 Analizar el comportamiento de las estructuras metálicas del tipo paraboloide
hiperbólico invertido y del tipo cercha con cargas sísmicas bajo la norma
AISC- LRFD 1756.
1.3. Justificación de la investigación
El análisis de los diseños estructurales es, sin duda alguna, un área primordial de
la Ingeniería Civil, pues permite el desarrollo de diversos proyectos constructivos
tomando en cuenta factores tanto internos como externos que pueden influir en la
ideación óptima de estructuras de cualquier tipo, permitiendo a los profesionales
en el área explorar e insertar cambios importantes en la configuración de las
estructuras. Uno de esos factores externos, son los movimientos telúricos, pues
las cargas sísmicas derivadas de éstos afectan a las estructuras.
Desde una perspectiva teórica, el presente trabajo especial de grado se basó en el
conjunto de lineamientos y parámetros contemplados en la norma diseño por
factores de carga y resistencia (Norma AISC-LRFD 1756) del American Institute of
Steel Construction (2005), para realizar un análisis comparativo del
comportamiento de las estructuras metálicas del tipo paraboloide hiperbólico
invertido y del tipo convencional ante la acción de cargas sísmicas, el cual puede
ser considerado por otros investigadores con interés en materia de estructuras, su
diseño, simulación y análisis.
Lo antes descrito, tiene una vinculación directa con la practicidad del estudio,
pues el diseño de estructuras metálicas tipo paraboloide hiperbólico invertido y tipo
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cercha a través de programas informáticos especializados, como el STAAD-PRO,
fue capaz de proveer una simulación en tres dimensiones (3D), en la cual se
pudieron ejercer las cargas sísmicas a cada tipo de estructura y generar un
conjunto de datos que como resultados, pudieron ser analizados y comparados
entre sí para determinar cuál de las dos estructuras diseñadas se comportaba de
manera más óptima ante la acción de tales cargas.
Desde la perspectiva socioeconómica, el presente estudio fue relevante pues las
estructuras sometidas a sismos severos sufren daños significativos, lo cual se
traduce tanto en pérdidas humanas como materiales; por esta razón, esta
investigación aportó conocimientos en el área de análisis estructural, tomando
como referencia las estaciones de servicio construidas según la tipología de
estructuras metálicas tipo paraboloide hiperbólico invertido y estructuras metálicas
tipo cercha en las parroquias Santa Lucía y Juana de Ávila del municipio
Maracaibo del estado Zulia, precisando en ellas tanto el diseño como la seguridad
tan necesarios en los proyectos que se deseen elaborar posteriormente.
1.4. Delimitación de la investigación
En este trabajo especial de grado se diseñó, en primer lugar, una estructura
metálica del tipo paraboloide hiperbólico invertido con carga sísmica bajo la norma
AISC-LRFD 1756; en segundo lugar, se diseñó una estructura metálica del tipo
cercha con carga sísmica bajo la misma norma, para así analizar
comparativamente el comportamiento de dichas estructuras ante la acción de
cargas sísmicas bajo la norma AISC-LRFD 1756.
1.4.1. Delimitación temporal
La investigación se desarrolló en el periodo comprendido entre julio de 2014 y abril
de 2015.
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1.4.2. Delimitación espacial
Esta investigación se realizó en la Universidad Rafael Urdaneta (URU), ubicada en
la Av. 2 (El Milagro) con calle 89 (Pichincha), municipio Maracaibo, estado Zulia,
Venezuela. No obstante, se tomó en cuenta el mayor grado de sismicidad en
territorio venezolano, en pro de que las estructuras diseñadas pudieran ser
analizadas bajo los parámetros especificados en la norma AISC-LRFD 1756.
1.4.3. Delimitación científica
El estudio se enmarcó en el área de Estructuras, como línea de investigación de la
Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Rafael Urdaneta, basándose en las
Normas 1756:2001-2 y 1756:2001-2 Edificaciones Sismorresistentes de la
Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN, 2001), la Norma
Resolución Nº 241 de Petróleos de Venezuela S. A. (PDVSA, 1980) y el Diseño
por Factores de Carga y Resistencia (Norma AISC-LRFD 1756) del American
Institute of Steel Construction (2005), entre otros documentos técnicos, y en las
teorías de Miranda (2012), Segura (2009), De Mattos (2006) y Fratelli (2003), entre
otros autores, con el propósito de analizar el comportamiento de las estructuras
metálicas del tipo paraboloide hiperbólico invertido y del tipo convencional con
cargas sísmicas bajo la norma AISC-LRFD 1756.
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
El marco teórico es una de las fases más importantes de un trabajo de
investigación. Dicha fase, consiste en indagar en las teorías, doctrinas y
basamentos legales que van a fundamentar el estudio con base en el problema
planteado, según Méndez (2005). A tal efecto, en el presente apartado se
presentan los antecedentes de la investigación, las bases teóricas, la definición de
términos básicos y el sistema de variables con sus definiciones conceptual y
operacional, aunadas a su respectiva operacionalización.
2.1. Antecedentes de la investigación
Para el desarrollo del estudio, fue necesario revisar en bases de datos (físicas y/o
electrónicas) de diversas universidades regionales, nacionales e internacionales, a
fin de ubicar trabajos científicos previos en cuanto a estructuras metálicas tipo
paraboloide invertido y tipo cercha, especialmente aquellas sometidas a cargas
sísmicas, como antecedentes relevantes en cuanto a estructura, metodología,
instrumentos de recolección de datos y análisis estadístico, entre otros aspectos.
En este sentido, Méndez (2005), indica que los antecedentes representan una
herramienta de orientación la cual permite identificar estrategias que otros
investigadores han aplicado en trabajos previos con alta similitud en sus temáticas
o áreas; por ende, a continuación se presentan algunas investigaciones
consideradas relevantes en relación con las variables objeto de estudio, a saber:
Martínez (2014) Evaluación de la vulnerabilidad sísmica urbana basada en
tipologías constructivas y disposición urbana de la edificación. Aplicación en la
ciudad de Lorca, región de Murcia. Tesis Doctoral. Universidad de Salamanca.
Salamanca, España.
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La metodología desarrollada en esta tesis doctoral se aplicó en la ciudad de Lorca,
Región de Murcia, España, realizando un trabajo de campo donde se clasificaron
los edificios según su tipología estructural y sus parámetros urbanísticos. A través
de un estudio estadístico, se analizó la correlación con el daño de las edificaciones
tras el terremoto del 11 de mayo de 2011 ocurrido en dicha región.
Previamente, se hizo una clasificación de los edificios según la clase de suelo en
la que se encuentran según el Eurocódigo 8. Para la generación de resultados, se
aplicó la metodología para obtener una estimación de la habitabilidad de los
edificios en Lorca post sismo. Para esta clasificación, se adoptó el criterio recogido
en diversas recomendaciones internacionales, la mayoría de las cuales se basan
en la documentación generada por el Applied Technology Council (ATC),
distinguiendo entre edificios habitables (no daño-daño no estructural) y edificios no
habitables (daño estructural).
De esta manera, se desarrolló una metodología empírica para identificar y
caracterizar los parámetros urbanísticos que determinan una respuesta sísmica
irregular de las edificaciones, graduar su relación con el daño tras unterremoto y
poder así disminuir la vulnerabilidad sísmica de las ciudades., apoyándose en los
estudios de Green (1980) y Guevara (2012) que recogen criterios generalizados
dentro de la bibliografía sísmica y aspectos procedentes de normas sísmicas
precursoras en este campo y de proyectos relacionados con el riesgo sísmico
como RisK-Ue (2003) y SERAMAR (2013), que han desarrollado metodologías
clasificando la vulnerabilidad de los edificios teniendo en cuenta modificadores por
comportamientos y configuraciones irregulares sísmicamente.
La citada tesis doctoral, ha sido sumamente relevante por cuanto hoy día diversos
movimientos telúricos en diversas regiones del mundo han puesto de manifiesto la
importancia de planificar las ciudades en materia de construcciones
sismorresistentes, pues según el comportamiento óptimo de las estructuras ante
cargas sísmicas, pueden generarse menores pérdidas tanto humanas como
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económicas. Ante la imposibilidad de evitar la ocurrencia de dichos movimientos
y/o de predecirlos con un margen pequeño de tiempo para tomar acciones a corto
plazo, la reducción de la vulnerabilidad de los elementos expuestos es la medida
más eficaz para prevenir los daños y para evitar el desastre.
Jiang, Zhu, Zhang y Zhang (2014). Análisis geométrico no-lineal de estructuras
tipo cerchas bajo cargas sísmicas 3D. Artículo Científico. Revista Applied
Mechanics and Materials.
Esta investigación de tipo proyectiva, descriptiva y aplicada, tuvo como propósito
el desarrollar un modelo de estructura tipo cercha de doble capa, tomando en
cuenta su forma no-lineal, en pro de indagar en su conducta sísmica ante cargas
ejercidas mediante simulación 3D. Para ello, los investigadores se basaron en el
hecho de que la respuesta sísmica de estructuras espaciales ha sido ampliamente
estudiada en los últimos años, demostrándose que las estructuras tipo cercha, por
ejemplo, se comportan óptimamente bajo la acción de cargas sísmicas.
No obstante, se consideró que se ha prestado poca atención en estudios previos a
los efectos de la geometría no-lineal en la respuesta de dichas estructuras ante
tales cargas; por ende, se diseñó una estructura tipo cercha de doble capa en el
programa Lusas, la cual fue sometida a cargas sísmicas cuyos valores fueron
tomados de movimientos telúricos reales previos ocurridos en Asia, tendiendo
como resultado más relevante, que en sismos de alta intensidad, dichas
estructuras tienden a colapsar, aunque manteniéndose estables en sismos de
intensidad baja-moderada.
La importancia del citado estudio radica en que a través de una simulación 3D, se
aplicaron a una estructura tipo cercha cargas sísmicas las cuales fueron luego
analizadas mediante el método tiempo – historia, en el cual se evaluaron las
fuerzas axiales y los desplazamientos de elementos críticos del modelo, donde el
análisis no-lineal constituyó una herramienta útil en la evaluación estructural.
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Arciniegas y Fuentes (2012) Reforzamiento sísmico de estructuras con
paraboloides hiperbólicos aplicando el NEC-11. Trabajo Especial de Grado.
Escuela Politécnica de Ecuador. Sangolquí, Ecuador.
Este estudio aplicado, descriptivo y de campo, tuvo como propósito general
realizar el análisis sísmico de estructuras con paraboloides hiperbólicos,
construidas por columnas cruz y cubierta parabólica, utilizando tanto la normativa
como el espectro de diseño del NEC-11 (Normas Ecuatorianas de Construcción)
como código de construcción vigente en la República de Ecuador.
Para ello, en la modelación de los pórticos se aplicaron elementos finitos lineales y
elementos finitos cuadriláteros. Asimismo, se analizaron los paraboloides por
cargas de servicio y ante la acción de cargas sísmicas tanto horizontales como
verticales, el proceso de cálculo con ejemplos aplicativos y la vulnerabilidad de la
estructura, finalizando con una propuesta de reforzamiento para cada caso.
El análisis se realizó según los bloques de estructuras tipo paraboloides
hiperbólicos del Colegio Municipal Fernández Madrid de Sangolquí-Ecuador,
aplicando dos metodologías de cálculo: elementos finitos lineales y elementos
finitos tipo Q-4. Como resultados más relevantes se tuvo que 2 de los 4 bloques
analizados eran sumamente vulnerables al presentar rajaduras en losa, y que no
reforzase, con un sismo de magnitud intermedia podrían colapsar.
En el análisis se derivas globales y de piso, se observó que al reforzar la
estructura estas disminuían considerablemente. En el análisis de nudos, en el
encamisado de la columna cruz, a más de confinar el concreto, aumenta la
capacidad al corte solucionando el problema de corte horizontal existente. El uso
de placas metálicas y fibra de carbono en el nudo del paraboloide soluciona el
momento volcador y los esfuerzos cortantes que se presentan.
El estudio ha sido relevante pues utilizando dos metodologías de cálculo se
observó que las modificaciones internas de los bloques paraboloides causan
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problemas estructurales como el de columna corta (aumento de cargas) y que se
necesita reforzar los bloques periódicamente en construcciones con más de 40
años, para seguridad de los usuarios; tal es el caso de algunas estaciones de
servicio del municipio Maracaibo construidas en los años 50, bajo la modalidad de
estructura metálica tipo paraboloide hiperbólico invertido.
Colmenares (2012). Evaluación sismorresistente del edificio norte de la escuela
“Jesús María Alfaro Zamora” ubicado en el municipio Baruta, estado Miranda.
Trabajo Especial de Grado. Universidad Central de Venezuela. Caracas,
Venezuela.
El estudio del comportamiento sismorresistente de la estructura Norte de la
escuela “Jesús María Alfaro Zamora”, ubicada en el Municipio Baruta, Estado
Miranda, se elaboró bajo un esquema de investigación de campo con carácter
evaluativo. La institución educativa, abrió sus puertas en el año 1.965 y
originalmente estaba conformada por nueve edificaciones de Tipo Rural, tipología
que experimentó daños durante el terremoto de Cariaco en 1.997. Posteriormente,
durante los años 70 del siglo XX al edificio “Norte” (originalmente de un nivel) se le
añadió un nivel soportado por una nueva estructura con pórticos en una dirección,
constituidos por columnas de concreto armado, con cerchas y vigas de acero.
La losa de entrepiso está conformada por correas de acero, tablones de arcilla y
loseta de concreto armado, mientras que la cubierta de techo es a dos aguas y
está conformada por láminas livianas soportadas por correas de acero. Para la
evaluación sismorresistente de la edificación, no fue posible la obtención de los
planos estructurales y arquitectónico originales, por ello se realizó una recopilación
exhaustiva en campo de las características geométricas de los elementos
estructurales y no estructurales. La información recopilada fue posteriormente
organizada en planos 2D (plantas y cortes verticales típicos) y 3D (maqueta
electrónica tridimensional), con la ayuda de los programas Autocad y SketchUp.
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En el análisis del comportamiento dinámico de la estructura, no se contó con un
estudio geotécnico que especifique la forma espectral y los parámetros asociados
a la misma para la definición del espectro de diseño conforme a lo establecido en
la Norma COVENIN 1756:2001, por lo que se realizó un análisis de sensibilidad
con la finalidad de seleccionar el factor de reducción de respuesta y la forma
espectral a ser empleados para la estimación de la magnitud de las fuerzas
sísmicas en el análisis estructural. La evaluación estructural se desarrolló en base
a simulaciones numéricas con la asistencia del software ETABS.
El análisis estructural comprendió además la realización de un análisis dinámico
espacial, que permitió estimar la magnitud de las derivas de la estructura, las
fuerzas cortantes sísmicas por nivel, los períodos devibración, entre otros
parámetros. A través del programa de cálculo se evaluó la capacidad portante de
los elementos estructurales, la cual fue expresada en función de la relación
demanda/capacidad.
El citado estudio ha sido considerado realmente importante, por cuanto los análisis
numéricos desarrollados se hicieron con base en el marco normativo venezolano
vigente, permitiendo determinar que la estructura analizada no satisfacía los
requerimientos mínimos de resistencia y rigidez, siendo vulnerable desde el punto
de vista sismorresistente por lo cual se recomendó que esta fuera reforzada.
2.2. Bases teóricas
Según Méndez (2005), las bases teóricas proporcionan un marco de referencia en
el contexto de teorías formuladas en cuanto al tema objeto de estudio, donde se
precisan las corrientes científicas, filosóficas y epistemológicas sobre las cuales se
sustenta la investigación. En este sentido, Hurtado (2010, p. 96), se refiere a éstas
como el “conjunto coherente y coordinado de conceptos, supuestos y
proposiciones”, el cual resume “de modo sistemático y organizado, los aspectos
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teóricos que el investigador ha recopilado de la bibliografía consultada sobre su
pregunta de investigación”.
De esta manera, las variables “Estructuras metálicas tipo paraboloide hiperbólico
invertido” y “Estructuras metálicas tipo cerchas”, fueron revisadas en las literaturas
correspondientes hallándose diversos elementos tanto técnicos como científicos
además de teorías expuestas por autores reconocidos en la materia, que suportan
los componentes de dichas variables metodológicas, además de los aspectos
normativos que rigen la materia de edificaciones sismorresistentes.
2.2.1. Principios de sismología
2.2.1.1. Sismos
Según la Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica (SMIS, 2015), se denomina
sismo o terremoto a las sacudidas o movimientos bruscos del terreno producidos
en la corteza terrestre como consecuencia de la liberación repentina de energía en
el interior de la Tierra o a la tectónica de placas. Esta energía se transmite a la
superficie en forma de ondas sísmicas que se propagan en todas las direcciones,
tal como se observa en la figura 2.1:
Figura 2.1. Elementos de un sismo.
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica (2015).
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Según se describe en la figura 2.1, el punto en el cual se origina el terremoto se
llama foco o hipocentro; este punto se puede situar a un máximo de unos 700 km
hacia el interior terrestre, donde el epicentro es el punto de la superficie terrestre
más próximo al foco del terremoto.
2.2.1.2. Origen de los sismos
De acuerdo con la SMIS (2015), los sismos tectónicos suelen producirse en zonas
donde la concentración de fuerzas generadas por los límites de las placas
tectónicas da lugar a movimientos de reajuste en el interior y en la superficie de la
Tierra. Por ende, los sismos de origen tectónico están íntimamente asociados con
la formación de fallas geológicas. Suelen producirse al final de un ciclo
denominado ciclo sísmico, que es el período de tiempo durante el cual se acumula
deformación en el interior de la Tierra que más tarde se liberará repentinamente.
Dicha liberación, continúa la SMIS (2015), se corresponde con el terremoto, tras el
cual, la deformación comienza a acumularse nuevamente. A pesar de que la
tectónica de placas y la actividad volcánica son la principal causa por la que se
producen los terremotos, existen otros muchos factores que pueden dar lugar a
temblores de tierra como desprendimientos de rocas en las laderas de las
montañas, hundimiento de cavernas, variaciones bruscas en la presión
atmosférica por ciclones e incluso actividad humana. Estos mecanismos generan
eventos de baja magnitud que generalmente caen en el rango de microsismos,
temblores que solo pueden ser detectados por sismógrafos.
2.2.1.3. Clases de sismos
La Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica (2015), clasifica los sismos de
acuerdo con el origen de las fuerzas que mueven las placas tectónicas, a saber:
 Volcánicos: directamente relacionados con las erupciones volcánicas. Son de
poca intensidad y dejan de percibirse a cierta distancia del volcán. Sólo en las
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explosiones de caldera, como las de Santorini o Krakatoa alcanzan grandes
intensidades.
 Tectónicos: originados por ajustes en la litosfera. El hipocentro suele
encontrarse localizado a 10 ó 25 kilómetros de profundidad, aunque algunos
casos se llegan a detectar profundidades de hasta 70 kilómetros y también
pueden ser más superficiales. Se producen por el rebote elástico que
acompaña a un desplazamiento de falla.
 Batisismos: su origen no está del todo claro. El hipocentro se encuentra
localizado a enormes profundidades (300 a 700 kilómetros) fuera de los límites
de la litosfera. Se pueden deber a transiciones críticas de fase en las que los
materiales que subducen se transforman bruscamente al alcanzarse cierto valor
de presión, en otros más compactos.
2.2.1.4. Intensidad y magnitud sísmica
Tal como indica el Centro de Sismología de la Universidad de Oriente (CSUDO,
2012, p. 1), ubicado en una zona considerada de alta incidencia de sismos como
el estado Sucre de Venezuela, la intensidad sísmica “mide cualitativamente los
efectos de un terremoto y delimita las áreas con efectos similares”.
En este sentido, explica el CSUDO (2012), la intensidad se mide por el grado de
daños a las construcciones realizadas por el hombre, la cantidad de
perturbaciones en la superficie del suelo y el alcance de la reacción animal en la
sacudida. En concordancia, Funvisis (2003, p. 61) también indica que “la
intensidad de un sismo es una medida subjetiva de los daños ocasionados por un
sismo sobre la población las construcciones y la naturaleza misma”. La valoración
de la intensidad sísmica se hace mediante una escala descriptiva, acota dicho
Centro. Ésta no depende de la medida del movimiento del suelo con instrumentos,
sino de las observaciones reales de los efectos en la zona macrosísmica, según
indica Funvisis (2003) y como se describe en la tabla 2.1:
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Tabla 2.1. Escala de intensidades de Mercalli modificada
Grado Interpretación o descripción
I No es sentido. Sólo lo registran los sismógrafos.
II Es sentido por personas que se hallan en reposo, en edificios altos o en
lugares que favorecen la percepción.
III Es sentido en el interior de las habitaciones. Los objetos colgantes se
balancean. La vibración es parecida al paso de un camión ligero. Es posible
estimar su duración. Puede no ser considerado como un sismo.
IV Los objetos colgantes se balancean. Vibración, semejante al paso de
camiones pesados, o se percibe una sensación como si una pelota pesada
golpeara las paredes. Los carros estacionados se mecen. Las ventanas, los
platos y las puertas traquetean. Los vasos tintinean. Los cacharros chocan.
Las paredes y armazones de madera rechinan.
V Es sentido fuera de las casas; puede estimarse su dirección. Las personas
dormidas despiertan. Los líquidos experimentan alteraciones; algunos se
derraman. Los objetos inestables y pequeños se mueven, así como las
celosías y los cuadros. Los relojes de péndulo se detienen, echan a andar o
cambian de velocidad.
VI Es sentido por todos. Muchas personas se asustan y salen corriendo de sus
casas. Se dificulta caminar. Las ventanas, platos y objetos de vidrio se
rompen. Adornos, libros, etc., caen de los estantes. Los cuadros se
desprenden de las paredes. El mobiliario se mueve o cae. Se agrieta el yeso
débil y las construcciones tipo D. Suenan las campanas pequeñas (iglesias,
escuela). Los árboles y los arbustos se sacuden (visiblemente) o se escucha
la agitación de sus ramas y hojas.
VII Es difícil permanecer de pie. Los automovilistas sienten cómo se agita el piso.
Los objetos colgantes vibran. Se rompen los muebles. Daños a
construcciones tipo D, incluyendo grietas. Las chimeneas débiles se parten alnivel del techo. Se produce caída de yeso, de ladrillos sueltos, de piedras, de
tejas, de cornisas, de parapetos sin apoyo y de ornamentos arquitectónicos.
Se abren grietas en las construcciones tipo C. Se observan olas en
estanques; el agua se enturbia con lodo. Hay derrumbes y aludes en bancos
de arena o grava. Tañen campanas grandes. Los canales de irrigación
quedan dañados.
VIII Se dificulta conducir un vehículo y quizá hasta se pierde el control del auto.
Daños a las construcciones tipo C; colapso parcial. Algunos deterioros en las
construcciones B; ninguno en las construcciones A. Caída de estuco y de
algunas paredes de ladrillo. Torcedura y caída de chimeneas (casas y
fábricas), monumentos, torres, tanques elevados. Las casas de armazón son
movidas de sus cimientos si no están aseguradas a ellos. Se rompen las
ramas de los árboles. Cambios en el flujo o la temperatura de manantiales y
pozos. Grietas en terreno húmedo y en pendientes empinadas.
CSUDO (2012).
Tabla 2.1. Continuación
Grado Interpretación o descripción
IX Pánico general. Las construcciones son destruidas: las de tipo C quedan
gravemente dañadas o, a veces, se caen del todo y las de tipo B quedan
dañadas seriamente. Averías generales a los cimientos, y muy serias a las
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cisternas y presas. Las tuberías subterráneas quedan rotas. Grietas
conspicuas en el terreno. En zonas aluviales, arena y lodo son arrojados a las
orillas, surgen fuentes de terremoto y se abren cráteres de arena.
X La mayor parte de las construcciones de mampostería y de armazón, así
como sus cimientos son destruidos. Algunas estructuras y puentes,
cuidadosamente construidos caen. Hay daños serios en presas, diques y
terraplenes. Se producen grandes aludes. El agua es arrojada a la orilla de
canales, ríos, lagos, etc. La arena y el lodo son desplazados horizontalmente
en playas y terrenos planos. Los rieles de las vías de ferrocarril se doblan
levemente.
XI Los rieles quedan doblados y las tuberías subterráneas completamente fuera
de servicio.
XII La destrucción es casi total. Grandes masas de roca son desplazadas. Las
líneas de nivel quedan distorsionadas. Los objetos son arrojados al aire.
CSUDO (2012).
Según se observa en la tabla 2.1, la escala de intensidades de Mercalli adaptada
por el CSUDO (2012) y también empleada por Funvisis (2003) en Venezuela, hace
referencia al grado de daño y/o destrucción de las estructuras (construcciones) a
partir del Grado V, clasificando las construcciones de la siguiente manera:
 Construcciones A: trabajo, concreto y diseño buenos; reforzadas, en especial
lateralmente, con amarradas usando acero, concreto, entre otros materiales;
diseñadas para resistir fuerzas laterales.
 Construcciones B: trabajo y concreto buenos; reforzadas, pero no diseñadas
especialmente para resistir fuerzas laterales.
 Construcciones C: trabajo y concreto ordinarios; sin debilidades extremas (falta
de amarres en esquinas) ni reforzadas/diseñadas contra fuerzas horizontales.
 Construcciones D: materiales débiles como adobe; concreto pobre; baja calidad
de mano de obra; débiles horizontalmente.
Ahora bien, en cuanto a otro aspecto sumamente relevante tanto en la sismografía
como en el análisis estructural: la magnitud sísmica, el CSUDO (2012, p. 1)
explica que para un sismo dado, “la magnitud es una constante única que
representa una medida cuantitativa del tamaño del sismo, independientemente del
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sitio de observación”, la cual se determina midiendo la máxima amplitud de las
ondas registradas en el sismograma correspondiente al evento. En este orden de
ideas, Funvisis (2003, p. 61) acota que la magnitud sísmica “mide la energía
liberada y se expresa en la amplitud de las ondas sísmicas”, donde el proceso de
medición de la magnitud de un sismo ha pasado por diferentes etapas.
Existen diferentes tipos de magnitud, de las cuales el CSUDO (2012) destaca las
siguientes:
 Magnitud de ondas de cuerpo (Mb): se basa en la amplitud máxima de las
ondas de cuerpo con periodos cercanos a 1,0 segundo.
 Magnitud de ondas de superficie (MS): es la amplitud máxima de las ondas de
superficie con períodos de aproximadamente 20 segundos.
 Magnitud momento (Mw): se basa en el momento sísmico (Mo) de la fuente
generadora del sismo; es una escala de magnitud establecida por H. Kanamori.
 Magnitud Richter (M): magnitud medida en la escala establecida por Ch. Richter
en 1933, llamada también magnitud local Ml.
De todas las magnitudes antes descritas, la más empleada durante años ha sido
la llamada Escala de Richter, según el CSUDO (2012) la cual se describe a
continuación:
Tabla 2.2. Escala de Richter
Magnitud en Escala
de Richter
Efectos del sismo
Menos de 3.5 Generalmente no se siente, pero es registrado.
3.5 - 5.4 A menudo se siente, pero sólo causa daños menores.
5.5 - 6.0 Ocasiona daños ligeros a edificios.
6.1 - 6.9 Puede ocasionar daños severos en áreas donde vive muchagente
7.0 - 7.9 Terremoto mayor. Causa graves daños.
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8 o más Gran terremoto. Destrucción total a comunidades cercanas.
CSUDO (2012).
No obstante lo antes expuesto, Funvisis (2003), aclara que en un primer momento
la escala (M
L
) utilizada fue la de Richter, pero ésta fue diseñada para medir los
terremotos de California, Estados Unidos y resultó poco práctica para las
realidades de otros países. Posteriormente, se extendió el concepto de magnitud y
se crearon otros métodos para su estudio, tales como el de Magnitud por Ondas
Superficiales (Ms), Magnitud por Ondas de Cuerpo (Mb), Magnitud por Momento
Sísmico (Mw) y Magnitud por Coda o duración (Mc). Los últimos dos sistemas son
los más utilizados actualmente.
2.2.2. Diseño estructural
Para García (2014), el diseño estructural se caracteriza por un proceso creativo
mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para que cumpla una
función determinada con un grado de seguridad razonable y que en condiciones
normales de servicio tenga un comportamiento adecuado. A tal efecto, la elección
de una forma estructural dada implica la elección del material con que se piensa
realizar la estructura.
Lo que es óptimo en un conjunto de circunstancias no lo es en otro. Se hace un
diseño preliminar y se realiza después de la estructura compuesta por los
miembros obtenidos en el que tenga un comportamiento satisfactorio, tanto en
cargas de servicio como de trabajo. Para hacer un análisis preliminar y definitivo
se sustituye la estructura real por un modelo que la represente suficientemente,
posteriormente la estructura debe construirse de manera que coincida con el
modelo supuesto de una manera aceptable, para que la respuesta teórica prevista
sea una buena representación real.
2.2.2.1. Diseño estructural sismorresistente
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De acuerdo con Fundavisis (2003), la ingeniería sismorresistente floreció en
Venezuela después del terremoto de Caracas de 1967, donde debido a fallas
estructurales, edificios de reciente construcción para esa época se derrumbaron;
hoy día, halla un desarrollo sostenido de la actividad, siendo cada día más
importante el aporte que recibe el sector de la construcción de esta disciplina,
sobre la cual descansa la responsabilidad de establecer los parámetros que deben
seguir para el levantamiento de una construcción, sea cuál sea la naturaleza y/o
uso de la misma, así como la proporción correcta de los materiales a utilizar.
El avance tecnológico también se ha hecho presente en el terreno de la ingeniería
sismorresistente, acota la citada Fundación, la cual desechó el Coeficiente de
Mayoración de Cargas como el único elemento a considerar a la hora de diseñar
una estructura por otro concepto donde, además de estar presente este
Coeficiente, se toma en cuenta la forma de la o las estructuras con sus diferentes
líneas de resistencia y otros elementos que la ayudan a que se comporte mejor.
En este sentido, Fundavisis (2003)plantea que son varios los elementos los
cuales le confieren un comportamiento homogéneo a la edificación ante la posible
ocurrencia de un sismo; de allí que, durante la etapa de diseño, se debe procurar
que la forma geométrica de la construcción se enmarque dentro de estos
parámetros, evaluando la composición geométrica de la edificación. Dichos
elementos son los siguientes:
 Simplicidad: es necesario proyectar diseños sencillos que faciliten la
distribución equilibrada de los elementos estructurales, evitando en lo posible
formas irregulares.
 Simetría de volúmenes: el diseño en planta establece una ubicación de las
diferentes partes del edificio, de tal forma que sus volúmenes deben ubicarse de
forma equilibrada respecto de los dos ejes que la cruzan.
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 Resistencia determinada por la forma: la forma volumétrica más recomendable
en construcción es la regular, en la cual el volumen general del edificio se muestra
compacto, sin irregularidades en su conformación geométrica, sin salientes o
protuberancias; en fin, una forma regular que lo habilita para resistir los efectos
dañinos que un sismo le pudiera causar si su forma fuera diferente.
Por el contrario, acota Fundavisis (2003), las formas irregulares no son
recomendables en la configuración geométrica general de los edificios; es decir,
edificaciones compuestas por volúmenes diferentes pero ligados unos a otros, que
al ser afectados por el sismo se deforman y reaccionan de manera independiente,
no contribuyen al comportamiento homogéneo deseable y necesario para que las
edificaciones respondan bien ante las fuerzas irregulares comunicadas por el
sismo a la edificación.
 Disposición de los elementos estructurales: se debe evitar disponer todos los
elementos estructurales en una misma dirección, pues si bien la edificación
resultante sería resistente a fuerzas sísmicas que se presenten en la misma
dirección en que están localizados las líneas resistentes (muros y/o pórticos),
resultaría sumamente débil a fuerzas que viniesen en dirección perpendicular.
 Sismorresistencia: es una propiedad o atributo del que se dota a una edifi-
cación, mediante la aplicación de técnicas de diseño acordes con su configuración
geométrica, y la incorporación en su constitución física de componentes
estructurales que la capacitan para resistir las fuerzas que se presentan durante
un movimiento sísmico, lo que se traduce en protección de la vida de los
ocupantes y de la integridad del edificio mismo.
La sismorresistencia de una edificación dependerá, según Fundavisis (2003), en
gran medida, tanto del tipo de materiales y componentes que la constituyan, como
de la correcta relación entre ellos, es decir, no basta con dotar a la edificación de
unos componentes resistentes, es necesario relacionarlos correctamente entre sí
para que toda la edificación se comporte de manera homogénea ante la presencia
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de fuerzas provenientes del sismo. Algunos aspectos fundamentales para
garantizar la sismorresistencia, a partir de las condiciones de relación entre los
componentes de la edificación son, según la citada Fundación, los siguientes:
 Uniformidad: se logra cuidando que no haya diversidad en los materiales que
constituyen componentes que desempeñan trabajos similares. Por ejemplo, si los
muros de carga son de ladrillo, no deben combinarse con otros vaciados en
concreto o de otro material; si la estructura de soporte es en concreto reforzado,
no deben aparecer elementos de soporte en madera, metal o ladrillo; si la cubierta
está constituida por madera, se debe evitar combinarla con elementos metálicos
para realizar el papel de vigas.
 Continuidad: en una construcción sismorresistente, ésta se da en dos sentidos:
primero, todos los ejes de los muros o pórticos que conforman los diferentes
espacios deben estar, hasta donde sea posible, alineados. Segundo, debe
conservarse la continuidad entre juntas y la unión horizontal de los elementos de
mampostería a las vigas, así como la verticalidad de los muros y/o pórticos.
2.2.3. Materiales constructivos: acero
Según García, Tridente y Urdaneta (1984), el acero es una aleación compuesta de
hierro (97% aproximadamente) y varios minerales como el carbono, manganeso,
sílice, entre otros. De todos sus componentes destaca tradicionalmente el
carbono, que le proporciona dureza de acuerdo al porcentaje en que intervengan,
llegando a tener hasta un 1.6% para acero estructurales de alta resistencia. De
allí la denominación de aceros al carbono a los aceros estructurales.
Los aceros al carbono, continúan los citados autores, son aquellos que tienen
cantidades máximas de 1.7% de carbono, 1,65% de manganeso, 0.60% de silicio
y 0.60% de cobre. La presencia del carbono puede ser perjudicial, pues tiende a
disminuir la ductilidad de los aceros; así mismo, su presencia hace al acero muy
vulnerable a la temperatura, condición esta que inhabilita a la soldadura como
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procedimiento de unión principal entre elementos estructurales de acero, y anula
como consecuencia el uso de las secciones tubulares.
Debido a lo antes descrito, acotan García y otros (1984) los aceros modernos,
poseen un porcentaje de carbono menor o igual al 0.3% y como elemento básico
adicional al hierro, se utiliza el manganeso que tiene la propiedad de ser un
material no vulnerable a la temperatura, y además de proporcionarle resistencia al
acero, le proporciona ductilidad.
2.2.3.1. Propiedades del acero estructural
Las propiedades el acero estructural son, según Fratelli (2003), las siguientes:
 Peso específico: 7850 kg/m².
 Módulo de elasticidad longitudinal (módulo de Young):2,1*106 kg/cm².
 Coeficiente de dilatación térmica: 11.70*106/ °C.
 Punto de fluencia: Fy = 2500 kg/cm2.
A su vez, De Mattos (2006), señala que los aceros estructurales se pueden
clasificar también por sus límites de fluencia:
 Baja resistencia mecánica: 1800 a 2500 kgf/cm2.
 Resistencia mecánica (media):2500-3000 kgf/cm2.
 Alta resistencia mecánica superior a 3000 kgf/cm2.
Finalmente, García y otros (1984) señalan que en general, el acero estructural en
Venezuela bien sea de importación o de fabricación nacional es conocido como
acero A-36 (ASTM), y se clasifica como S-25.
2.2.3.2. Ventajas y desventajas del acero estructural
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Los criterios que se emiten a continuación para conocer las ventajas y desventajas
del uso del acero en la construcción de estructuras, corresponden a los postulados
establecidos por McCormac (2002). A tal efecto, las ventajas de acero estructural
son las siguientes:
 Alta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso implica que
será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en
puentes de grandes luces, en edificios altos y en estructuras con condiciones
deficientes en la cimentación.
 Uniformidad: las propiedades del acero no cambian mucho en el tiempo. Una
estructura de concreto reforzada con acero y aislada en las condiciones del medio
ambiente conservara las propiedades del acero, ya que el recubrimiento del
concreto le brinda la seguridad al elemento para no ser víctima de la corrosión y
desgaste por la brisa, agua y agentes químicos que se encuentran en las
partículas del aire. Una barra de acero con un mantenimiento óptimo y sin
exposición directa al medio ambiente tiene vida útil larga.
 Elasticidad: el acero posee una zona en su diagrama, esfuerzos/deformaciones,
completamente proporcional permitiendo un diseño adecuado en función del
esfuerzo de fluencia, punto que marca su cadena (deformación excesiva) sin
incremento del esfuerzo. En los aceros estructurales la deformación unitaria
producida en el punto de fluencia es el doble aproximado que la producida hasta
ese punto. La elasticidad es la reacción que tiene un elemento a las fuerzas
aplicadas al mismo sin provocar perdidade las propiedades. Una barra de acero
soporta una deformación hasta llegar a su punto de fluencia, en el cual permite
una deformación muy pequeña conservando sus características. No debe
sobrecargarse un elemento estructural por encima de ese punto.
 Durabilidad: si el mantenimiento de la estructura de acero es adecuado duraran
indefinidamente. Investigaciones realizadas, indican que bajo cierta condiciones
no se requiere mantenimiento a base de pintura.
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 Ductilidad: cuando se prueba a tensión un acero con bajo contenido de carbono
ocurre una reducción de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto
de falla, antes que se presente la fractura. Un material que no tenga esta
propiedad será duro y frágil y romperá al someterlo a un golpe repentino.
 Ampliaciones de estructuras existentes: asimismo, Urdaneta (1998), añade esta
consideración, ya que denota que las estructuras de acero se adaptan muy bien a
posibles adiciones. Se pueden añadir nuevas a las enteras a estructuras de acero
ya existentes, y los puentes de acero con frecuencia pueden ampliarse.
Por otra parte, las desventajas del acero estructural, a criterio de McCormac
(2002), son las siguientes:
 Costos de mantenimiento: la mayoría de los aceros son susceptibles a la
corrosión al estar expuestos a aire y/o agua; por ende, deben recubrirse con
pintura periódicamente.
 Costo de la protección contra el fuego: el acero es un excelente conductor de
calor, de manera que los miembros de acero sin protección pueden transmitir
suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado a secciones
adyacentes de la misma estructura e incendiar el material presente. En
consecuencia, la estructura de acero debe protegerse mediante materiales con
ciertas características aislantes o esta deberá acondicionar un sistema de
rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del código de
construcción de la localidad en que se halle.
 Susceptibilidad al pandeo: de acuerdo a lo planteado por mientras más esbeltos
sean los miembros a compresión, mayor es el peligro del pandeo, como se indicó
el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al usarse como
columna no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo
para hacer más rígida la columna contra el posible pandeo.
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2.2.4. Estructuras metálicas
De Mattos (2006), indica que una estructura es la parte o el conjunto de partes de
una construcción destinada a resistir cargas. Cada parte portante de la
construcción, también denominada elemento estructural, debe resistir los
esfuerzos incidentes y transmitirlos a otros elementos a través de las conexiones
con la finalidad de conducirlos al terreno. Según el material empleado en su
construcción, su geometría particular y características funcionales, a continuación
se presentan dos tipos de estructuras metálicas sumamente comunes tanto en
Venezuela como el mundo: tipo cercha y tipo paraboloide hiperbólico.
2.2.4.1. Estructuras metálicas tipo cercha
De acuerdo con Medina (2012), las cerchas o armaduras son elementos
estructurales que forman parte del conjunto de las estructuras de forma activa. Es
por ello que para comprender mejor los aspectos relacionados con este tipo de
estructuras, debe profundizarse en sus propiedades como elemento estructural
sometido a tracción y compresión.
Autores clásicos como Beer y Johnston (1977), definen las estructuras tipo cercha
como una composición de barras rectas unidas entre sí en sus extremos para
construir un armazón rígido de forma triangular, capaz de soportar cargas en su
plano, particularmente aplicadas sobre las uniones denominadas nodos; en
consecuencia, todos los elementos se encuentran trabajando a tracción o
compresión sin la presencia de flexión y corte.
En concordancia, para autores como Medina (2012, p. 1), una estructura tipo
cercha, es “una composición de barras rectas unidas entre sí en sus extremos
para constituir una armazón rígida de forma triangular, capaz de soportar cargas
en su plano, particularmente aplicadas sobre las uniones denominada nodos” (ver
figura 2.2); en consecuencia, todos los elementos se encuentran trabajando
atracción o compresión sin la presencia de flexión y corte (ver figura 2.3).
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Figura 2.2. Esquema de cercha.
Miranda (2012).
Figura 2.3. Relación entre cable, arco y cercha.
Miranda (2012).
La figura 2.3 muestra la relación entre el cable, el arco y la flecha como
componentes básicos de una estructura tipo cercha. Según Miranda (2012), el
triángulo es la forma básica de la cercha. Esta es una forma estable aún con
uniones articuladas, caso contrario del rectángulo que con uniones articuladas es
inestable). La forma estable del triángulo se puede imaginar si se parte del análisis
de un cable sometido a una carga puntual obtiene (ver figura 2.3)
Ahora bien, las cerchas se dividen según su forma, tal como indica Medina (2012);
aunque es casi infinito el número de formas posibles que puede tomar, es posible
dividir esta clasificación según la aplicación de las condiciones estáticas de
equilibrio en isostáticas e hiperestáticas. Otra clasificación, según el citado autor,
es según la estructura de su forma: simple, compleja y compuesta (ver figura 2.4)
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Figura 2.4. Algunos tipos comunes de cerchas.
Moore (2000).
Como principal ventaja de las estructuras tipo cercha, Medina (2012), señala que
esta es una de las más empleadas en la ingeniería estructural pues proporciona
una solución práctica y económica debido a la ligereza de su peso y su gran
resistencia. En relación con los materiales, los más comunes en su construcción
son el acero y la madera.
En cuanto a su constitución, acota el citado autor, las cerchas están formadas
principalmente por un conjunto de miembros superiores (cordón superior); un
conjunto de miembros inferiores (cordón inferior), las diagonales y las verticales
montantes o pendolones, dependiendo del tipo de fuerza. Además, en la cercha es
muy importante el medio de unión, mediante remaches, tornillos o soldadura a una
cartela colocada en la intersección del nodo. La cartela impone una pequeña
restricción a la rotación, por ella, las barras de tracción o compresión pura en los
elementos desarrollan una pequeña cantidad de flexión y corte (ver figura 2.5).
King Post
Howe
AbanicoFink
Tijera Pratt
PrattWarren Arco
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Figura 2.5. Esquemas de cartela en madera y acero.
Miranda (2012).
Miranda (2012) indica que las cerchas se emplean cuando se tienen luces libres
grandes como puentes, sitios públicos y estadios. Las cerchas paralelas se usan
en recintos amplios de cordones superiores curvos que se comportan similar a una
estructura colgante o un arco como puentes; en techos y entrepiso se emplean
cerchas livianas, donde se observa un tipo de cercha empleado para techo y
entrepiso que corresponde a variaciones realizadas sobre la cercha tipo Warren
(ver figura 2.4). El rango de luces de la cercha es de 15 a 30 m para cerchas de
madera y 15 a 50 m para cerchas de acero (ver figuras 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 y 2.10).
Figura 2.6. Tipos de cerchas paralelas
Engel (2001).
Figura 2.7. Tipos de cerchas para puentes
Engel (2001).
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Figura 2.8. Tipos de cerchas para entrepiso.
Engel (2001).
2.9. Estación de servicio del municipio Maracaibo con techado tipo cercha.
En cuanto a la resolución de las cerchas, Medina (2012) indica que el método de
nodos, considera el equilibrio para determinar las fuerzas en sus elementos. Como
toda la cercha está en equilibrio, cada nodo también lo está. En cada nodo, las
cargas y reacciones junto con las fuerzas de los elementos forman un sistema de
fuerzas concurrentes que debido a las ecuaciones de equilibrio (ver ecuaciones
2.1 y 2.2), permiten establecer las fuerzas de los elementos. Debido a que la