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Bueno aquí tenéis un nuevo apartado en De Mecánica: el Estructucionario. Comenzamos la construcción de un diccionario de términos relacionados con las estructuras de manera que pueda ser consultado a través de la Red.

Algunas definiciones serán nuevas, otras como veréis ya existían y simplemente las hemos indexado. Supongo que la tarea será lenta y trabajosa, por lo tanto perdonadme que ahora al principio haya pocas definiciones... con un poco de tiempo y paciencia trataremos de llegar a disponer de un pequeño vocabulario estructural.

Me gustaría contar con vuestra ayuda para ir mejorando y ampliando el Estructucionario. Para ello podéis escribirnos a:

gestodedios@demecanica.com

Igualmente os pido que si detectáis faltas, errores o erratas, por favor, no dejéis de comunicárnoslo. Gracias.

 

 

A

B

Balasto

Barras lisas (consulta)

 

C

 

Concarga

Cuantías. Definición de Cuantía Geométrica y Mecánica. Casos

 

D

Ductilidad (Ductilidad. Aceros de alta ductilidad. Coeficiente de ductilidad)

 

E

Ensayo Proctor

 

F

G

H

I

J

k

L

Licuefacción (de suelos)

Lavado de finos (consulta)

 

LL

M

 

M

Matrices de rigidez

Método de los elementos finitos

Módulo de deformación longitudinal del hormigón (consulta)

 

N

O

 

P

Pandeo. Análisis de la limitación de desplazamiento horizontal H/750

Pantallas acopladas

 

Q

R

Refracción, Sísmica de

Reticular (Forjado)

 

S

T

Tridilosas (consulta)

Tixotropía (consulta)

 

 

U

V

X

Y

Z

 

 

 

 

C

 

Concarga

 

Se denomina concarga a a la suma de los pesos cuya magnitud y posición es constante a lo largo del tiempo. Está formada por el peso propio y la carga permanente.

Por ejemplo, en un edificio, la concarga de un forjado consiste generalmente en el peso propio de la losa de forjado más las carga permanente procedente del solado y del falso techo.

 

 

D

 

Ductilidad (ing. ductility)

 

"Los materiales y las estructuras que construimos con ellos deben ser resistentes, dúctiles y tenaces. La ductilidad es un puente sobre nuestra ignorancia [...]"

"La ductilidad es un concepto enjundioso que goza de pública aceptación, aunque no siempre se comprende su significado profundo.Porque, también, es muy valorada la elasticidad, lo que es, en cierto modo, contradictorio."

Javier Rui-Wamba. Aforismos estructurales (ref. 5)

 

Ductilidad [D.R.A.E.]: Calidad de dúctil. Dúctil: dícese de los metales que admiten grandes deformaciones mecánicas en frío sin llegar a romperse.

 

La ductilidad de las estructuras es un valor añadido que cada día es más común. Todos conocemos su importancia en el caso del diseño sísmico, pero no debemos olvidar que juega también un papel importante en algo más habitual en nuestros cálculos: la redistribución plástica. La instrucción de hormigón así nos lo recuerda: "El análisis lineal con redistribución limitada exige unas condiciones de ductilidad adecuadas que garanticen las redistribuciones requeridas para las leyes de esfuerzos adoptadas (Art. 19.2.3 EHE)".

Y bien, ¿qué es la ductilidad? Su definición, tal y como apuntan los aforismos del Ingeniero Javier Rui-Wamba  no es sencilla. Existen diferentes acepciones que aún compartiendo una idea común originan sutiles diferencias según el contexto en el que se encuentren, sin embargo, una definición académica asimilaría la ductilidad a la capacidad de disipación de energía dentro del rango plástico que posee un material, una sección o una estructura(1).  
Ha de existir disipación de energía (podemos pensar en la energía de un terremoto, por ejemplo), y lo que es fundamental, que este gasto de energía se produzca a costa del del rango plástico o anelástico (el sismo engañado empleará sus fuerzas en formar rótulas plásticas en las vigas pero no conseguirá mermar la estabilidad global del edificio, el denominado criterio columna fuerte-viga débil).

Respecto al sismo y la ductilidad traemos a colación lo dicho por Miguel y Luis Bozzo en el apartado sobre comportamiento sismorresistente en su libro sobre losas reticulares mixtas -ver ref. 9-:

"La filosofía de las normas modernas de diseños sismorresistentes establece que una estructura debe estar capacitada para resistir, en el rango elástico, los sismos moderados que en su vida útil la puedan solicitar y en el rango inelástico, sin pérdida de vidas humanas, el sismo extremo o severo que pudiese ocurrir. La resistencia inelástica que se busca dar a las estructuras es función de su ductilidad, la cual es su capacidad de disipar cantidades significativas de energía por medio del comportamiento inelástico bajo deformaciones cíclicas de gran amplitud, sin reducción significativas de resistencia por medio del comportamiento inelástico bajo deformaciones cíclicas de gran amplitud, sin reducción significativa de la resistencia".

No debemos confundir ductilidad con amortiguamiento pese a que ambos conceptos aparezcan a menudo juntos. El amortiguamiento produce una disipación de la energía que depende exclusivamente de la velocidad del movimiento(2).

Analicemos ahora más detenidamente el concepto a nivel de material, sección y estructura para apreciar a qué nos referimos en cada caso. Comencemos estudiando el concepto a nivel de material, ya que suele resultar más fácil. Son ejemplo de materiales no dúctiles, frágiles o quebradizos, el vidrio, la cerámica, el cemento, el ladrillo, etc. Su rotura se produce sin apenas deformación.

Son dúctiles la plastilina, el acero y en general los metales. Su rotura viene precedida de un estiramiento, que en el caso de rotura de una probeta -tracción- origina el famoso cuello debido a la disminución de la sección.

Se adivinará que la ductilidad no es una propiedad invariable de los materiales. Dependerá de varios factores entre los que destacan la temperatura y la fatiga. Un ejemplo claro de la disminución debida a la temperatura lo tenemos en el acero -la normativa de acero prohíbe el uso de aceros poco dúctiles en climas fríos-  y aún más cercano en el chocolate -si intentamos romper una onza en verano la rotura será frágil, mientras que si lo sacamos de nuestro frigorífico, pese a ser mucho más resistente romperá de cuajo-.   La fatiga siempre implica indicios de fragilidad -ref. 8-.

La ductilidad de la sección viene determinada por su capacidad para deformarse, sin romperse, desde el inicio del comportamiento plástico hasta el agotamiento. Un ejemplo claro lo tenemos comparando la rotura de una probeta de vidrio con otra de acero. En el hormigón armado supone un estudio en la sección de las dimensiones, las cuantías, los anclajes, etc.

Tampoco  a nivel de sección la ductilidad es invariable. Las cargas son muy importantes, así por ejemplo, los esfuerzos de compresión disminuyen la ductilidad en el caso del hormigón armado. Se diseñarán los elementos para que ocurran fallos por flexión antes que por cortante.

Por último la ductilidad de la estructura dependerá tanto de la de los materiales y del diseño a nivel de sección, como del diseño global. Por ejemplo, una estructura con pilares enanos tiene un diseño poco dúctil ya que romperá a cortante sin que el acero ceda, es decir «sin avisar». Un edificio que confía todo su arriostramiento a pantallas de hormigón, podrá resistir de manera impecable un sismo, pero su comportamiento no será dúctil -un diseño de este tipo además puede incrementar el valor de las fuerzas sísmicas a considerar debido a la rigidez de la estructura-.  Fenómenos de inestabilidad también perjudican a la ductilidad, por ejemplo, en el diseño de estructuras de acero las normativas (CTE, Eurocódigos) clasifican las secciones en función de su capacidad plástica y ésta a su vez en función de la dificultad que presenta la sección frente a fenómenos locales de pandeo.

Con cierta ironía podríamos hacer una comparación entre las estructuras dúctiles y cierto tipo de personas, seguro conoceréis alguna, que quejándose continuamente de pequeños problemas de salud, sobreviven luego a aquellos sus cercanos que parecían más robustos. Haciendo dúctiles las estructuras intentamos que evitando un colapso global su deformación avise de que están cerca del colapso. Es por tanto una propiedad beneficiosa y a veces exigible, especialmente para mejorar el comportamiento frente a acciones dinámicas -sismo-.

 

Romario, calculista de estructuras sin horario. La ductilidad

 

 

1. Aceros de alta ductilidad: en el hormigón armado la ductilidad a nivel de sección depende prácticamente en su totalidad de la ductilidad del acero empleado, de ahí que la Instrucción de Hormigón haya considerado "barras corrugadas con características especiales de ductilidad" (comentarios al art. 31.2) o de alta ductilidad. La Instrucción en su aparición recogió sólo la armadura B 400 SD (la D final indica las características especiales de ductilidad), pero actualmente también está en uso el acero B 500 SD.

Paradójicamente, las barras corrugadas son menos dúctiles que las lisas (efecto tension-stiffening), no estando éstas sin embargo reconocidas ya por la actual Instrucción.  También se reduce la ductilidad si los diámetros son menores menores (-ver ref. 3-).

Los indicadores que llevan a considerar una barra corrugada como de alta ductilidad son: el alargamiento remanente de rotura, el alargamiento bajo carga máxima, la relación entre la carga de rotura y el límite elástico, y la tenacidad(3).

 

2. Coeficiente de ductilidad: la disipación de la energía de la que hemos hablado conduce a que la fuerza que realmente actúa sobre la estructura sea inferior a la que corresponde al caso elástico. Las distintas normativas sismorresistentes se basan en esta cuestión para beneficiar a las estructuras dúctiles rebajando el valor de las fuerzas que se simulan los efectos del sismo. Hablamos de fuerzas, dado que, estamos pensando en que el efecto dinámico del sismo se modeliza mediante unas cargas estáticas aplicadas sobre la estructura, éste es un método simplificado corriente en las diferentes normativas sismorresistentes; para el caso en que se introduzcan los desplazamientos, método más general, serían estos los que se reducirían al ser afectados por la ductilidad.

La normativa española actual por ejemplo, NCSE-02, distingue entre cuatro coeficientes de ponderación de la ductilidad (desde μ=4, ductilidad muy alta a μ=1 sin ductilidad) atendiendo a la organización,  material y detalles constructivos de la estructura(4). Como dicho coeficiente pasa como divisor en la fórmula del cálculo de las fuerzas sísmicas, podrá reducir su valor hasta cuatro veces.

Es importante destacar que el coeficiente de ductilidad puede ser diferente según el sentido del sismo cuyas fuerzas equivalentes vayamos a calcular. En la misma NCSE encontramos ejemplos de ello: un edificio típico de soportes de hormigón y forjado unidireccional, en el caso de presentar una dirección predominante de colocación de viguetas tendría un μ=2 en la dirección del forjado y un μ=3 o 4 en la otra dirección. A día de hoy no conozco programas de cálculo que implementen ésta cuestión. 

 

(Septiembre-2004, Mod. Nov-2005)

 

 

Notas:

(1) La definición ha sido extraída de la propia Norma Sismorresistente NCSE-02 (apartado 3.7.3.1. Coeficiente de respuesta β. Se dice allí: "d) Corresponde un coeficiente de comportamiento por ductilidad μ=1 (sin ductilidad) a las estructuras desprovistas de capacidad de disipación de energía en el rango plástico."

(2) Ver ref. 6 en su apartado 4.4.2 "Fenómeno de ductilidad - conceptos básicos".

(3) Para conocer como funcionan dichos coeficientes se remite a la ref. 4 y al Anejo 12 de la EHE -ref. 1-.

(4) Recomiendo en este sentido no dejar de ver los comentarios a dicho articulado -C.3.7.2.1 de la EHE-.

 

Referencias bibliográficas (ref.) utilizadas y recomendadas:

1- EHE, Instrucción de Hormigón Estructural. Ministerio de Fomento, 1999.

2- NCSE-02. Norma de construcción Sismorresistente: Parte general y edificación. Ministerio de Fomento, 2003.

3- PEREPÉREZ VENTURA, Bernardo: "Diseño y ductilidad en las  construcciones de hormigón armado". Ponencia incluida en el libro Eduardo Torroja, la vigencia de un legado. Editorial SPUV, Universidad Politécnica de Valencia, 2002, pp. 261-269.

4- Andrés DOÑATE MEJÍAS, José CALAVERA RUÍZ, José Manuel GÁLLIGO ESTÉVEZ, Antonio GÓMEZ REY, Antonio R. MARÍ BERNAT, Bernardo PEREPÉREZ VENTURA y Noelia RUANO PANIAGUA: "Aceros con características especiales de ductilidad para hormigón armado". Monografías Arcer nº1. Calidad Siderúrgica, 2000.

5- RUI-WAMBA MARTIJA, Javier: "Aforismos estructurales que pueden ser de utilidad para comprender determinados comportamientos de los seres humanos", Aforismo Sexto. Discurso a la Academia de Ingeniería. Academia de Ingeniería, 1998.

6 - A.H. BARBAT, S. OLLER: "Conceptos de cálculo de estructuras en las normativas de diseño sismorresistente". Monografías de Ingeniería Sísmica. Monografía CIMNE IS-2 1998. Editor A.H. Barbat.

7 - GORDON, J. E. : "La nueva ciencia de los materiales". Celeste Ediciones, 2002.

8 - OLLER, Sergio: "Fractura mecánica. Un enfoque global". CIMNE - Edicions UPC, 2000.

9 - BOZZO Chirichigno, Miguel - BOZZO ROTONDO, Luis: "LOSAS RETICULARES MIXTAS. Proyecto análisis y dimensionamientol". Editorial Reverté, S.A. , 2003.

 

 

 

 

 

L

 

 

Licuefacción (de suelos) (ing. liquefaction -of soils-)

 

Licuefacción [D.R.A.E.]: Hacer líquida una cosa sólida o gaseosa

Licuefacción [<<Guía de cimentaciones en obras de carretera>>. Ministerio de Fomento]: Anulación de la capacidad para resistir esfuerzos de corte en un suelo granular fino, saturado y con densidad relativa baja, como consecuencia del aumento de presión intersticial originado por vibraciones.

 

La licuefacción (o licuación) es un fenómeno típico de suelos saturados del tipo arenas finas y flojas y limos mal graduados, que ocurre cuando estos se someten a acciones dinámicas y que consiste en una pérdida de fuerza y rigidez debido a que la presión del agua aumenta de forma rápida hasta el punto de que las partículas quedan sueltas, se mueven libremente y pierden la capacidad de transmisión de esfuerzos. Su nombre deriva del hecho de que en ese momento el suelo se comporta como si se tratara de un líquido.

La licuefación se produce generalmente durante los terremotos. La normativa sismorresistente española actual (NCSE-02 art. 4.3.1) obliga a analizar la posibilidad de licuación <<cuando el terreno de cimentación contenga en los primeros 20 m bajo la superficie del terreno, capas o lentejones de arenas  sueltas situadas, total o parcialmente, bajo el nivel freático>>. Además, <<si se concluye que es probable que el terrreno licue en el terremoto de cálculo, deberán evitarse las cimentaciones superficiales, a menos que se adopten medidas de mejora del tereno para prevenir la licuación. Análogamente, en las cimentaciones profundas, las puntas de los pilotes deberán llevarse hasta suficiente profundidad bajo las capas licuables, para que pueda desarrollarse en esa parte la necesaria resistencia al hundimiento>>. Para comprobar si el terreno puede licuar la norma incluye en sus comentarios (C.4.3.1) un método basado en la comparación de la resistencia a la licuación del terreno [RL] frente a la tensión tangencial horizontal equivalente al terremoto [tE].

 

Bibliografía para saber más:

- SOIL LIQUEFACTION Web site (en inglés)

- Jorge Abraham Díaz Rodríguez . <<Dinámica de suelos>>. Editorial Limusa, 2005.

 

 

 

 

 

P

 

Pantallas acopladas

 

Las pantallas acopladas consisten en dos pantallas unidas en paralelo mediante vigas. Se utilizan para conseguir estructuras de alta ductilidad con menor desplazamiento que los pórticos dúctiles. Su ventaja consiste en que las vigas entre pantallas disipan un alto porcentaje de la energía del sismo debido a que, con un buen diseño, en sus extremos se forman rótulas.

También se las denomina sistemas de muros de corte o tabiques acoplados.

 

 

R

 

Reticular (Forjado) (ing. waffle slab)

 

Dícese del forjado que está formado por una retícula homogénea de vigas denominadas nervios y que posee macizos (ábacos) en el encuentro con los pilares.

 

 

 


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