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Proyecto básico: Coordinación del diseño estructural y arquitectónico para edificios
de varias plantas con estructuras de acero
SS001a-ES-EU
Proyecto básico: Coordinación del diseño estructural y
arquitectónico para edificios de varias plantas con
estructuras de acero
Cubre la información requerida para la toma efectiva de decisiones realizadas en las fases
iniciales del diseño de la estructura principal de un edificio de varias plantas.
Índice
1.
Distribución de columnas en planta
2
2.
Influencia de la altura del edificio
4
3.
Coordinación horizontal
4
4.
Coordinación vertical : Alturas de planta a planta
7
5.
Coordinación Vertical : Zona estructural
7
6.
Coordinación vertical : Zonas de servicio
8
7.
Opciones estructurales horizontales
8
8.
Rangos para las luces de los sistemas estructurales
12
9.
Ventajas de la construcción con grandes luces
13
10.
Cantidades de Acero aproximadas
14
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1.
Distribución de columnas en planta
La distribución de columnas en planta define el espaciamiento de las columnas en direcciones
ortogonales, las cuales están influenciadas por:
‰ La modulación (normalmente basada en múltiplos de 300 mm y típicamente 1,2 o 1,5m).
‰ El espaciamiento de las columnas a lo largo de la fachada, dependiendo del material de la
fachada.
‰ El uso del espacio interno (i.e. para despachos o espacio abierto).
‰ Los requerimientos para la distribución de los servicios del edificio (desde el núcleo del
edificio).
A lo largo de la línea de fachada, el espaciamiento de las columnas está normalmente definido
por la necesidad de suministrar apoyo al sistema de cerramiento (por ejemplo, se requiere un
máximo de 6 m normalmente para ladrillos). Esto influencia el espaciamiento interno de las
columnas, a menos que se utilicen columnas adicionales a lo largo de la línea de fachada.
La luz de las vigas a través del edificio normalmente se adapta a una de las siguientes
configuraciones de distribución de columnas:
‰ Línea interna única de columnas, desplazadas fuera de la línea del corredor central.
‰ Pares de líneas de columnas en ambos lados del corredor.
Para oficinas con ventilación natural, se utiliza por lo general un ancho del edificio de 12 a
16 m, el cual puede lograrse con dos luces de 6 a 8 m. La iluminación natural también juega
un papel importante en la elección del ancho de la chapa de acabado de forjado. La
distribución de columnas para una línea desplazada de columnas internas se muestra en la
Figura 1.1. Alternativamente, pueden utilizarse grandes luces a fin de facilitar un incremento
de la flexibilidad en la distribución en planta.
Para oficinas con aire acondicionado, se utiliza frecuentemente una luz libre de 15 a 18 m,
aunque para oficinas interiores (sin iluminación natural), puede asumirse una distribución de
columnas de 9 × 9 m. Un ejemplo de distribución de columnas para el caso de un edificio con
grandes luces con un atrio grande se muestra en la Figura 1.2.
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6m
E
E
T
7.5 m
S
T
L
13.5 m
L
6m
L
48 m
Clave: L – Ascensores; S – Escaleras; T - Baños
Figura 1.1
Distribución de columnas para una oficina con ventilación natural
15 m
30 m
7.5 m
7.5 m
15 m
L
L
S
15 m
S
T
T
45 m
7.5 m
7.5 m
S
L
L
L
L
E
E
60 m
Clave: L – Ascensores; S – Escaleras; T - Baños
Figura 1.2
Distribución de columnas para grandes luces en una oficina de alto standing
con aire acondicionado
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2.
Influencia de la altura del edificio
La altura del edificio tiene una influencia importante en:
‰ El sistema estructural que se adopte.
‰ El tipo de cimentación.
‰ Los requisitos de resistencia al fuego y medios de escape.
‰ El acceso (por ascensores) y espacio de circulación.
‰ El sistema de cerramiento.
‰ La velocidad de construcción y productividad en la obra.
El sistema estructural está influenciado principalmente por los medios para estabilizar el
edificio. Para edificios de hasta 8 plantas de altura, se prefieren arriostramientos verticales,
pero para edificios más altos, habitualmente se ubican estratégicamente núcleos arriostrados
de acero o núcleos de hormigón. Para edificios extremadamente altos, se han utilizado
muchos tipos de sistemas de refuerzos externos. Estos están fuera del alcance de esta
información.
El tamaño de los ascensores y su velocidad de desplazamiento también se convierten en
factores importantes para edificios altos. Según los Reglamentos de seguridad contra
incendios en un país en particular, el uso de rociadores puede requerirse en edificios de más
de 8 plantas.
3.
Coordinación horizontal
La coordinación horizontal está influenciada por la necesidad en planta de zonas definidas
para el acceso vertical, evacuación en condiciones de seguridad y distribución de servicios en
vertical. Los núcleos resultantes se usan para estabilizar el edificio y transmitir las acciones
horizontales a la cimentación donde sea factible. La posición del núcleo está influenciada
por:
‰ Los sistemas de distribución horizontal para servicios mecánicos.
‰ Los requisitos de resistencia a fuego, que pueden llevar al acortamiento de las rutas de
evacuación, y a tamaños de compartimento más reducidos.
‰ La necesidad de distribuir los sistemas de estabilización estructural más o menos
simétricamente a lo largo de la planta del edificio.
La Figura 1.1 y la Figura 1.2 muestran una distribución típica que satisface estos criterios.
La estabilidad global puede alcanzarse a través de arriostramientos verticales, o por núcleos
arriostrados de acero o núcleos de hormigón para edificios altos.
En edificios con núcleos de hormigón, las vigas frecuentemente se disponen directamente
entre los pilares del perímetro del edificio y el núcleo de hormigón. Se requieren
consideraciones especiales de diseño para:
‰ Las uniones de las vigas al núcleo de hormigón.
‰ El diseño de vigas principales más pesadas en la esquina del núcleo.
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‰ Seguridad ante incendio y robustez en la construcción de grandes luces.
En la Figura 3.1 se presenta una distribución típica de vigas alrededor del núcleo de
hormigón, mostrando el uso de vigas más pesadas en la esquina del edificio. Se podría
requerir una doble viga para minimizar el canto en las esquinas.
15 m
12 m
12 m
15 m
Figura 3.1
Distribución de vigas alrededor del núcleo de hormigón
Se puede incorporar un atrio para incrementar la iluminación del espacio ocupado y
proporcionar áreas de circulación de gran valor tanto en plantas intermedias y como en planta
baja. Los requisitos de diseño para el atrio son:
‰ Apoyos para cubierta de gran luz del atrio.
‰ Rutas de acceso para circulación general.
‰ Medidas de seguridad ante incendio por extracción de humo y rutas de evacuación
seguras.
‰ Niveles de iluminación y servicio para las oficinas interiores.
Un ejemplo de la estructura de apoyo para un atrio usando tubo de acero curvado se muestra
en la Figura 3.2.
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Figura 3.2
Tubo de acero para apoyar el techo de un atrio.
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4.
Coordinación vertical : Alturas de planta a
planta
La altura entre planta y planta está basada en una altura de planta a techo de 2,5 a 2,7 m para
oficinas comerciales, o 3.0 m para usos más importantes, más el canto de la planta dedicado a
servicios. Las siguientes alturas de planta a planta deberían tenerse en cuenta en la fase de
diseño básico:
Oficinas importantes
3,8 – 4,2 m
Oficinas comerciales
3,5 – 4,0 m
Proyectos de
renovación
3,5 – 3,9 m
Estos valores permiten un amplio rango de soluciones estructurales. Si, por razones de
planificación, se requiere limitar la altura total del edificio, podría lograrse con el uso de
forjados de canto reducido, o sistemas de vigas integradas. La construcción con forjados de
canto reducido es frecuentemente utilizada en proyectos de renovación, en donde la altura de
planta a planta está limitada por la compatibilidad con el edificio existente o la fachada.
5.
Coordinación Vertical : Zona estructural
Para propósitos de diseño básico, los siguientes ratios de luz:canto (de la viga de acero)
pueden usarse para determinar el canto de la zona estructural:
Vigas mixtas
luz/canto ≤ 25
Vigas aligeradas
luz/canto ≤ 25
Vigas principales armadas
luz/canto ≤ 20
Forjados de canto reducido o vigas integradas
luz/canto ≤ 25
El canto de la losa debería añadirse para definir la zona estructural completa (excepto para la
construcción de forjados de canto reducido donde la losa y la viga tienen el mismo canto).
Resulta así que, para una viga mixta de 12 m de luz, el canto de la viga es de 480 mm más una
losa de espesor de 120 a 150 mm, da aproximadamente 600 mm. El espesor para protección
contra incendios y la deformación permitida también deben incluirse (nominalmente 30 mm).
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6.
Coordinación vertical : Zonas de servicio
Donde las zonas estructurales y de servicio estén separadas verticalmente, se debe añadir lo
siguiente a la altura estructural:
Suelo técnico
150 a 200 mm
Equipos de aire acondicionado
400 a 500 mm
Techos e iluminación
120 a 250 mm
Sin embargo, se pueden lograr reducciones significativas en la altura total, a través de la
integración vertical de la estructura y las zonas de servicio. Esto es particularmente efectivo
para la construcción con grandes luces.
A efectos de un diseño básico, se pueden utilizar las siguientes alturas:
Construcción mixta
800 – 1200 mm
Vigas alveolares (con integración de servicios)
800 – 1100 mm
Forjados de canto reducido o vigas integradas
800 – 1000 mm
7.
Opciones estructurales horizontales
Las opciones estructurales más adecuadas para vigas son:
Vigas mixtas (con forjado mixto)
Luces de 6 a 13 m
Vigas no mixtas (con losas prefabricadas)
Luces de 6 a 9 m
Vigas mixtas parcialmente embebidas
Luces de 6 a 12 m
Vigas aligeradas o armadas (con forjado mixto)
Luces de 8 a 18 m
Forjados de canto reducido o vigas integradas
Luces de 5 a 9 m
Estas opciones estructurales están ilustradas en la Figura 7.1.
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(1)
(2)
(3)
(4)
Clave:
1.
2.
3.
4.
Viga mixta
Vigas parcialmente embebidas
Vigas integradas
Viga con forjado de canto reducido
Figura 7.1
Formas de construcción usadas en forjados
Las vigas mixtas sostienen los forjados mixtos, los cuales se disponen entre las vigas. Para el
diseño de distribuciones ortogonales, se pueden considerar dos métodos generales:
‰ Vigas secundarias de mayor luz apoyadas sobre vigas principales de menor luz (ver la
Figura 7.2).
En este caso, los tamaños de la viga pueden seleccionarse para que las vigas
primarias y secundarias sean de aproximadamente igual canto.
‰ Vigas principales de mayor luz, sosteniendo vigas secundarias de menor luz (ver la
Figura 7.3).
En este caso, las vigas principales son de canto relativamente grande.
Las vigas aligeradas son más eficientes cuando son utilizadas como vigas secundarias de
mucha luz, mientras que las vigas armadas son más eficientes como vigas principales de
mucha luz, donde las fuerzas cortantes son más altas. También, es posible eliminar las vigas
secundarias usando el forjado mixto en la dirección de mayor luz con las vigas principales
unidas directamente a las columnas.
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9-1
6-
5m
9m
130
450 - 600
450
Figura 7.2
300
0
- 45
Disposición típica de vigas secundarias en el tramo de mayor luz
(dirección del forjado indicada)
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9-1
6-
5m
9m
500 - 700
130
240
300
600
Figura 7.3
0
900
Disposición típica vigas principales en el tramo de mayor luz y vigas secundarias en
el tramo de menor luz.
(dirección del forjado está indicada)
Las vigas integradas son un caso especial en el que las vigas se disponen directamente entre
las columnas, eliminándose las vigas secundarias. Estas vigas generalmente se usan en
distribuciones cuadradas, como lo ilustrado en la Figura 7.4. La losa se apoya sobre el ala
inferior o sobre la extensión del ala inferior de la viga y puede ser un forjado mixto de gran
canto o una losa aligerada de hormigón prefabricado.
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5-
9m
6-
9m
(3)
300 - 350
(1)
(2)
225
Leyenda:
1. Vigas integradas
2
Elemento de atado
3
Forjado mixto de gran canto o un forjado de losas aligeradas prefabricadas de hormigón
Figura 7.4
Vigas integradas o forjados de canto reducido (se indica la dirección losadle
forjado)
8.
Rangos para las luces de los sistemas
estructurales
El rango para las luces de varias opciones estructurales tanto en acero como en hormigón está
definido en la Figura 8.1. Las opciones de acero de gran luz generalmente mantienen la
integración de servicios y se logran luces mayores de 12 m. Las vigas aligeradas y las
celosías mixtas son más eficientes para vigas secundarias de gran luz, mientras que las vigas
armadas son más apropiadas para las vigas principales.
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Tramo (m)
6
8
10
13
16
20
Losa plana de hormigón armado
Vigas con forjado de canto reducido y
forjados mixtos de gran canto
Vigas integradas con losas prefabricadas
Vigas y losa de hormigón armado
Losa plana de hormigón postensado
Vigas y losa mixtas
Vigas armadas con el alma aligerada
Vigas mixtas aligeradas
Celosías mixtas
Figura 8.1
9.
Rango de luces para varias opciones estructurales
Ventajas de la construcción con grandes luces
Las vigas de gran luz han ganado popularidad en el sector de edificios comerciales porque
ofrecen las siguientes ventajas en el diseño y construcción:
‰ Se eliminan las columnas interiores, logrando un uso más flexible y eficiente de espacio
interior.
‰ Pueden integrarse los servicios dentro del canto de la estructura, de tal forma que la
altura de planta a planta no se incremente.
‰ Se requieren menos componentes (en general 30% menos vigas) logrando reducciones en
los tiempos de construcción e instalación.
‰ Los costes de protección contra incendios pueden reducirse debido a la masividad de los
miembros de longitud mayor.
‰ Para las vigas aligeradas, los conductos redondos múltiples para los servicios son más
baratos que los conductos rectangulares.
‰ No se aumentan significativamente los costes para construir la estructura de acero, a
pesar de tener luces más largas.
‰ En conjunto, los costes del edificio se incrementan en una cantidad despreciable (menos
del 1%).
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10. Cantidades de Acero aproximadas
Para propósitos de estimación en el diseño de edificios de oficinas, pueden utilizarse pesos
típicos de acero por unidad de área para edificios de planta rectangular. Estas cantidades
aumentarán significativamente para edificios no rectangulares o altos, para edificios con atrios
o con fachadas complejas..
Las cantidades aproximadas se presentan abajo, y están expresadas en términos del área total
de la planta del edificio, y no incluyen la estructura de acero usada en la fachada, atrio o
cubierta.
Table 10.1
Cantidades de acero aproximadas para propósitos de estimación.
Cantidades de acero aproximadas (kg/m2 en planta)
Forma del edificio
Vigas
Columnas
Arriostramiento
s
Total
Edificio de 3 o 4 plantas de forma
rectangular
25–30
8–10
2–3
35–40
Edificio de 6-8 plantas de forma
rectangular
25–30
12–15
3–5
40–50
Edificio de 8-10 plantas con grandes
luces
35–40
12–15
3–5
50–60
Edificio de 20 plantas con núcleo de
hormigón
40–50
10–13
1–2
55–65
Edificio de 20 plantas con núcleo
arriostrado de acero
40–50
20–25
8–10
70–85
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Registro de calidad
TÍTULO DEL RECURSO
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acero
Referencia(s)
DOCUMENTO ORIGINAL
Nombre
Compañía
Fecha
Creado por
R.M. Lawson
SCI
Enero 05
Contenido técnico revisado por
G.W. Owens
SCI
Mayo 05
Contenido editorial revisado por
D.C. Iles
SCI
Mayo 05
1. Reino Unido
G.W. Owens
SCI
26/5/05
2. Francia
A. Bureau
CTICM
26/05/05
3. Suecia
A. Olsson
SBI
26/05/05
4. Alemania
C. Mueller
RWTH
11/5/05
5. España
J. Chica
Labein
20/5/05
6. Luxemburgo
M. Haller
PARE
26/05/05
G.W. Owens
SCI
26/406
Contenido técnico respaldado por los
siguientes socios de STEEL:
Recurso aprobado por el
Coordinador técnico
DOCUMENTO TRADUCIDO
Traducción realizada y revisada por:
eTeams International Ltd.
Recurso de traducción aprobado por:
Labein
12/09/05
Página 15