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La magia de los prefabricados
La construcción de una estructura es un proceso que puede hacerse de muchas formas. Personalmente prefiero reunirlas todas y agruparlas en 2 grandes categorías que me parecen las mas importantes (al menos para este post)
- O construyes armando los elementos que componen la estructura uno a uno como si trabajaras con plastilina.
- O construyes teniendo las piezas listas y uniéndolas como si se tratara de un juego de LEGO.
Sin pensarlo mucho, parece que el segundo método es mucho mejor, no debes crear ninguna pieza, solo debes unirlas y ya. Este encanto que solo se podía ver en un Armatodo (LEGO en la actalidad) es traido al mundo de la construcción (principalmente en concreto), gracias a los elementos prefabricados
Como su nombre lo indica, los prefabricados son todos aquellos elementos que se crean en platas y fabricas especializadas y se ofrecen a los contructores listas para instalarce en la obra. Muchas veces son el mismo personal de la empresa los encargados de hacer la instalación según el nivel de complejidad que tenga eeste procedimiento.
Algunos elementos prefabricados que se pueden encontrar en la industria son:
- Bloques: Estos elementos son ideales para la construcción de muros, entre estos se encuentran los bloques de hormigón y los de ladrillo hueco.
fuente: Kreato - Paneles: Estos elementos prefabricados se caracterizan porque la relación entre su superficie y su espesor es considerable. Alunos elementos que cabrian en esta categoría son las losas prefabricadas y los muros de contención prefabricados.
fuente: alibaba.com - Elementos lineares: Son todos aquellos elementos prismáticos esbeltos, donde su área transversal es muy pequeña en relación a su longitud. Una viga o columna podrían ser buenos ejemplos.
fuente: archiexpo.com
Si bien lo mágico de estos elementos es que ya están listos para poder usarlos. La realidad es que no siempre podemos encontrar elementos que se acoplen idealmente a los requerimientos de nuestra estructura, y en caso de encontrarlos, su costo podrá ser considerablemente alto.
El nuevo concreto está aquí, mas “verde” que nunca
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| fuente: redxm2 |
Concreto, uno de los materiales más usados en el mundo de la construcción (el otro es el acero), hemos hablado maravillas de este material en este blog en algunas ocasiones, ya que de no ser por este elemento, la ingeniería civil no habría llegado tan lejos. Sin embargo, no todo es color de rosa (de nuevo), y es necesario mencionar que este material es en realidad uno de los grandes contribuyentes al calentamiento global. Esto se debe a que se demanda tanta cantidad de cemento, concreto y derivados, que las industrias deben producir mucho más, y a mayor producción, mayor contaminación. Sin embargo, parece que existe una esperanza para nuestro mundo.
Al parecer, se ha descubierto un diseño de mezcla que permitiría no solo obtener un concreto que reduzca estas emisiones a más de la mitad, sino que además, nos permitirá obtener un concreto mucho más resistente que con el procedimiento habitual. Investigaciones del MIT, dirigidas por el científico investigador Roland Pelleq y su equipo, indican que, al reducir la relación entre el calcio y el silicio que se encuentran en la mezcla permitirá lograr los beneficios anteriormente descritos.
Ahora seguramente te preguntaras ¿calcio y silicio?, pues bien, para aquellos que no lo saben, el concreto es una mezcla de agua, agregados pétreos (grava y arena), y cemento. En el cemento (y levemente en los agregados), podemos encontrar compuestos a base de calcio y silicio.
Si entendiste los 2 anteriores párrafos, habrás descifrado que, la clave para lograr un concreto más ecológico, es necesario lograr un cemento más ecológico.
Si desean leer más de esta interesante investigación, los invito a ingresar al siguiente link:
Fuente:
Massachusetts Institute of Technology. "How to make stronger, 'greener' cement: New formula could cut greenhouse-gas emissions." ScienceDaily. ScienceDaily, 25 September 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/09/140925141236.htm>.
¿¿Y sobre que nos paramos?? – Las losas
Hace mucho tiempo, hable de la importancia de algunos elementos estructurales como son las vigas, las columnas y las cimentaciones. En este momento, hablare de otro elemento trascendental que será una pieza más en la construcción de una estructura óptima. Este elemento son las losas o placas
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| Obreros fundiendo losa en concreto fuente: DRO 390 |
Para entender la importancia de estas losas, simplemente pensemos que pasaría si una estructura no tuviera losas. Si un edificio no tuviera losas, tendríamos que acomodar todo sobre las vigas, y caminar sobre ellas en todo momento, lo cual es imposible. Si un puente no tuviera un tablero, sería totalmente inservible, porque no existe un carro en el mundo que pueda transitar sobre una viga que compone un puente.
Si después de la anterior explicación, aun tienes dudas de lo que es una losa, simplemente es el piso que hay en tu casa, en un corredor, en la tienda, en un salón de clase, etc. Ahora es el momento de preguntarnos lo que siempre nos preguntamos: ¿Cómo se construye?
Para empezar, no importa si se trata de una edificación en concreto o una edificación metálica, las losas siempre, y repito, siempre, estarán elaboradas en concreto, y en el interior de esta losa, veremos la presencia de la maya electro soldada, que simplemente son un conjunto de barras de acero que se sueldan de forma que parezca una maya. Su espesor suele ser alrededor de 50 cm si se trata de una losa de cimentación (aquella que tiene contacto directo con el suelo), y para las losas de niveles superiores, su espesor será aproximadamente de 10 cm (depende de si es maciza o aligerada). En el caso de los tableros de puentes, el espesor de este será alrededor de 15 cm o mas según el tipo de puente.
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| Malla electro soldada fuente: Arqhys |
En términos estructurales, la presencia de estas losas ayuda a transmitir toda la carga que reciban (de personas, de muebles, maquinas, etc.) hacia las vigas, y estas trasmitirán la carga a las columnas y finalmente la carga llegara a las cimentaciones, las cuales transmitirán la carga total de la estructura al suelo y paremos ahí.
Con este post, ya habríamos terminado de hablar de los principales elementos estructurales que componen una edificación, aunque aplican también para otros tipos de estructura. Pero aún nos falta unas cuantas cosas que ver, después de todo, ¿no se supone que nuestra casa tiene 4 paredes?
Vigas: la fisica detrás del asunto
Hablamos mucho de vigas, de columnas, de concreto y acero, y podríamos seguir haciendo eso todo el tiempo que quiera, pero el objetivo de este blog es ilustrar a los no tan ingenieros que hay detrás del piso sobre el que se encuentran parados, que hay mas allá de los muros y sobretodo, mostrar que la ingeniería civil no es una supervivencia ni tampoco es pura matemática como algunos se imaginan. Por ello, pienso lograr, a través de esta entrada, explicar como funciona uno de los elementos mas importantes en cualquier estructura, para que hasta el menos simpatizante de las matemáticas lo pueda entender.
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| Figura 2 fuente: wikiversity.org |
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| Figura 1 fuente: aquinodiazmoises.blogspot.com |
Iniciare teniendo fe en que los que leen esto ya saben que es una viga (si no es así, pueden leer que es aquí), ahora, existen dos formas de ver una viga:
- Como en la figura 1: hecha en concreto o en acero, ya posesionada y funcionando, podemos verla en el mundo real pero no por ello podemos entender claramente como funciona
- Como en la figura 2: un esquema prácticamente simple, donde neutra viga esta representada por la barra gris, que se encuentra apoyada en dos puntos (aunque pueden ser mas), que en el mundo real podrían ser otros elementos (generalmente columnas). En este esquema podemos describir el funcionamiento de una columna y su comportamiento.
Antes de construir un edificio, hay que diseñarlo, y los ingenieros civiles debemos hacer uso de ilustraciones como el de la figura 2 para plasmar los casos a los que los elementos estructurales se están enfrentando.
Si observamos la segunda viga en la figura 2, vemos unas flechas y también vemos que esta viga esta curvada ¿no?, en realidad, esas flechas representan la fuerza que la viga esta soportando sobre ella (si lo comparamos con la figura 1, esta carga seria de la losa que se apoya sobre la viga), y el curtimiento representa, de forma un poco exagerada, el curtimiento que la viga sufre por el mismo efecto de la carga. por supuesto, en la vida real no se podría ver algo tan pronunciado, ya que eso es lo que queremos evitar.
Sigamos mirando mas allá, que es lo que siente la viga en el interior??, lo que siente es en realidad es un conjunto de 2 fuerzas: las fuerzas cortantes y las fuerzas a flexión, las cuales podemos ver ilustradas a continuación:
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| figura 3: diagramas de cortante (V), y Flexion (M) fuente: webdelprofesor.ula.ve |
- Cortante: esta fuerza es aquella que causa cizallamiento o corte directo sobre la viga, estas fuerzas se concentran mayormente en los puntos en los cuales esta apoyada la viga ya que en estos puntos las vigas no se deforman (es decir, no se doblan o se flexionan), por lo que es mas fácil fallar por corte. en la figura 1, esto se ilustra en el diagrama triangular.
- Flexión: también conocido como momento, es la "fuerza" (en realidad es fuerza por longitud) que causa que la viga se flexiones o se doble por acción de las cargas. en la figura 3 su diagrama es el parabólico, que irónicamente ilustra de forma aproximada como se doblara la viga por acción de las cargas que resiste.
Podría explicar como nacen estos diagramas, sin embargo, su explicación si requeriría algo de matemática y física, por lo que me ahorrare la explicación para otra oportunidad.
Antes de terminar, tal ves te preguntes ¿cual es la importancia de esos diagramas?. La respuesta es simple, ACERO, o REFUERZO. ambos diagramas (cortante y flexión), nos dicen que tanto refuerzo es necesario administrar a nuestra viga en concreto para que pueda soportar la carga que le esta llegando. Sin el acero, la viga en concreto no resistiría la flexión y fallaría, así mismo, no soportaría las fuerzas de corte y podría agrietarse cerca de los puntos de apoyo (las columnas) y caer con todo y losa.
Así como existen dos tipos de esfuerzos que soporta la viga, es necesario dos tipos de refuerzo que deben ser administrados para soportar las solicitaciones:
- Flejes: los flejes en acero garantizan que la viga soporte los esfuerzos por cortante que se comentaron anteriormente, estos se encuentran mas agrupados en las zonas donde el cortante es mayor
- Barras: las barras en acero permiten que la viga sea capaz de resistir las flexiones por acción de las cargas, recuerden que el acero puede deformare mucho mas que el concreto.
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| Barras y flejes de de una columna fuente: stalineder.blogspot.com |
Si te diste cuenta, vimos los aspectos básicos a tener en cuenta en el diseño de una viga:
- Ilustramos la situación de una viga, plasmando sus apoyos y las cargas que resisten
- estudiamos las fuerzas cortantes y de flexión que sufre una viga
- definimos el refuerzo que tendrá la viga para que soporte dichas solicitaciones
Por supuesto, existen otros aspectos a tener en cuenta al diseñar una viga, o una columna, o un muro, etc.
Espero que con esto aquellos que no son ingenieros o que hasta ahora están empezando se hagan una idea clara de que es lo que el ingeniero debe hacer para diseñar un elemento estructural.
como se construyen las cimentaciones??
Ya había mencionado en una entrada que son las cimentaciones (si no la viste, click aquí), sin embargo, creo que es necesario mostrar como se construyen las cimentaciones que, por lo general NO VEMOS en una estructura terminada, por lo cual les traigo algunos vídeos que ilustran el proceso de construcción de zapatas y pilotes.
En este primer video se explica la metodología para la fabricación de pilotes in situ
En este primer video se explica la metodología para la fabricación de pilotes in situ
En este segundo video, podremos observar como se fabrican las zapatas y vigas de cimentación para una casa vecinal.
Las Vigas: los brazos que soportan
En entradas anteriores hemos hablado de las partes de una edificación de la siguiente forma:
- Los pies con los que se soportan son las cimentaciones (si no la has leído, click aquí)
- Las piernas que la erigen al cielo, son las columnas (si no la has leído, click aquí)
Ahora nos vamos a enfocar en lo que podría considerare, son los brazos de las edificaciones, y estos, por supuesto, son las vigas.
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| Viga en acero estructural; fuente: Arqhys |
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| Viga en concreto unida a columna; fuente: Arqhys |
En un principio, como vemos en las imágenes, las columnas y las vigas son prácticamente iguales, suelen ser rectangulares si son en concreto reforzado, o suelen ser perfiles de acero similares a los implementados en las columnas si hablamos claro, de una estructura en acero, no obstante, son elementos muy diferentes. Las diferencias existentes entre las vigas y las columnas son las siguientes:
- Dimensiones: Las vigas, ya sean en acero o en concreto reforzado, suelen poseer un área transversal menor en comparación a que poseen las columnas.
- Esfuerzo: mientras que las columnas soportan mayormente cargas a compresión, las vigas están sometidas a esfuerzos de flexión y cortante, por lo que el papel del acero en estos elementos es crucial para evitar su falla.
Una viga sometida a flexion falla como se muestra en la figura; fuente: http://estructuras-de-concreto.blogspot.com - Uso: Las vigas son esenciales para sostener las plantas de la edificación, y pos supuesto, para sostener todo lo que se ubique sobre las mismas (muebles, maquinas, personas, etc.). Las cargas que reciben de la planta al final son transmitidas a las columnas para que hagan su trabajo.
Existen dos tipos de vigas que soportan una planta de piso:
- Vigas principales: son las que reciben las principales cargas y las que se encargan de trasmitirla a las columnas (por supuesto, las vigas están unidas a las columnas).
- Viguetas: Son vigas de menor tamaño y menor refuerzo que las principales, estas se ubican entre las vigas principales y su principal labor es transmitir los esfuerzos que soportan a las vigas principales para que puedan realizar el trabajo ya mencionado.
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| Plano tipo de una planta, donde se observan las Vigas (V-1, V-2, etc.) y las viguetas (VT-1, VT-2, etc.) fuente: construyafacil.org |
Ya tenemos la cimentaciones, las columnas y las vigas, no nos falta mucho para terminar de ver los elementos restantes de comprende una edificación, así que hasta una próxima entrada.
Y de los pies vamos a las piernas - Las Columnas
Hace una pocas entradas hable acerca de la cimentaciones, "los pies" de nuestro edificio, cuya importancia radica en transmitir correctamente las cargas de edificio al suelo asegurando su estabilidad. un mal diseño de estos conlleva a que el edificio se caiga por completo (si no has visto el post, has click aquí), ahora vamos a hablar en mayor detalle de un elemento que ya he mencionado anteriormente en otros post, las columnas.
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| Columnas en concreto reforzado, fuente: Arqhys |
| Columnas en Acero, fuente: http://sistestructura6.blogspot.com |
así como el cuerpo humano posee un esqueleto, las estructuras también lo poseen, parte de este esqueleto son las columnas, las cuales son elementos estructurales verticales cuya función principal es la de transmitir las fuerzas desde los puntos mas altos hasta las cimentaciones, para que estas ultimas puedan realizar su tarea.
Debido a su disposición, las columnas están diseñadas principalmente para soportar esfuerzos a compresión, cosa que el concreto, por si solo, podría hacer bien, pero al igual que cualquier otro elemento en una estructura de concreto, debe poseer refuerzo, la razón detrás de esto es porque existen fuerzas laterales que afectan a cualquier estructura. entre las mas populares se encuentran las siguiente:
- Fuerza del sismo: El movimiento que se origina en el suelo por acción de un sismo se traduce en cargas laterales que le llegan al edificio
- Fuerza de viento: las corrientes eólicas pueden ser suficientemente fuertes como para generar oscilaciones de la estructura. Son mas fuertes si la edificación es significativamente grande.
Este tipo de fuerzas genera esfuerzos de flexión y cortante en las columnas, por lo cual se implementa acero estructural para garantizar su resistencia frente a esta clase de situaciones.
Para finalizar, aqui les dejo un video de la universidad de los Andes en Colombia, en el cual pueden acrece una idea de como se construye una columna de concreto.
con los pies en la tierra - y los edificios con sus cimentaciones
De igual forma que no podemos mantenernos de pie si no estamos con los pies sobre la tierra, un edificio o un puente no se puede mantener de pie si no se encuentra bien cimentado en el suelo. Si bien es cierto que los edificios deben ser resistentes frente a cualquier fenómeno catastrófico que pueda atentar contra su integridad estructural, eso no sirve de nada si no se encuentra firme en el suelo. ¿Como se logra esto?, con la construcción de cimentaciones.
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| Caída de edificio en china, se encuentra prácticamente intacto |
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| Lo que fallo fueron sus cimientos fuente: ARQHYS |
Antes de empezar, primero miremos un caso. Como se podrán observar en estas primeras imágenes, tenemos el caso de un edificio que cayo como si se tratara de una persona, completamente ileso (bueno, exagero un poco), no se ven columnas gravemente agrietadas o muros caídos, ¿¿porque sucedió esto??.
La respuesta yace en la segunda imagen, fueron los cimientos de la estructura los cuales fallaron debito a un desplazamiento del suelos sobre el que cimento, causado por una excavación que se había hecho previamente, y ya que lo cimientos no fueron bien diseñados para esta situación, al final estos no soportaron el peso de la estructura y cayeron.
Con este particular ejemplo, podemos ver la importancia de la cimentaciones, pero tal ves haya uno que otro que se pregunto lo siguiente:
¿Que son las cimentaciones?
Las cimentaciones son todo el conjunto de elementos estructurales que tiene como fin garantizar que las cargas generadas por el edificio (como el peso por ejemplo) sean transmitidas al suelo de forma efectiva sin superar la presión admisible de ese y así evitar hundimientos críticos de la estructura u otro tipo de fallas derivaras del suelo.
Existen 2 tipos de cimentaciones muy utilizadas en la actualidad:
- Superficiales: estas cimentaciones se caracterizan porque se apoyan sobre el suelo inmediato o poco profundo. No se requieren excavaciones muy profundas para su construcción, es decir que del mismo suelo sobre el cual se apoyara la primera planta de nuestra estructura podrá soportar el peso de la misma. Se emplea mucho en estructuras de poca altura.
Ejemplo de cimentación superficial: Una zapata aislada
fuente: Blog ELEMENTOS y S.C.1 - Profundas: contrario al anterior caso, estas cimentaciones buscan tener contacto con suelo muy rigido, el cual desafortunadamente se encuentra a gran profundidad, por lo que es necesario que estos elementos posean una altura significativa para alcanzar el terreno en el cual puedan transmitir la carga del edificio. se implementa sobretodo en estructuras de gran altura (como el primer caso discutido).
Ejemplo de cimentación profunda: Pilotes hincados
fuente: CFT& Asociados
Para concluir, antes de construir cualquier gran obra de ingeniería, es necesario garantizar que estada bien parada, por lo cual se deben diseñar y construir cimentaciones que tengan la capacidad de soportar nuestra estructura y que se acomoden al tipo de suelo en el que se pueda encontrar (del cual hablare mejor en un próximo post)
La clave del diseño estructural en concreto: La cuantía
Ya hemos hablado previamente del concreto y del acero como dos entidades aparte que poseen propiedades muy interesantes, y que al unirse, nos permite tener acceso a un material que no solo es altamente flexible en cuanto a su manejo y modelado, sino que ademas es altamente resistente, tanto a los esfuerzos de compresión (por el concreto), como a las altas flexiones de puedan verse en las vigas o en las columnas (por el acero). Pero antes de ello, es necesario decidir en que cantidades se deben mezclar ambas cosas para que el resultado sea el deseado.
| ¿Porque no ponerle mas acero a las columnas? fuente: portal del gobierno del estado de Aguascalientes |
Crear una columna de concreto o una viga de concreto es como hacer un postre, no solo se necesita de los ingredientes, los instrumentos y los recipientes para hacerlo, es necesaria la técnica y por supuesto, un recetario que nos indique como prepararlo. En el caso de nuestra columna, los ingredientes son concreto y acero, y al igual que cualquier postre, es necesario mezclar los ingredientes en las proporciones adecuadas, ya que de lo contrario, tendríamos algo que sabría muy horrible, y en el caso de la columna, tendríamos algo que no serviría para nada. Para conocer la cantidad de acero que debe ser incorporada en un determinado elemento de concreto, es necesario conocer la cuantía.
La cuantía es la cantidad de acero que debe usare por cada metro cubico de concreto. las unidades en que se mide son [kg/m3] y esta se obtiene de acuerdo al diseño del elemento estructural en cuestión. a medida que los esfuerzos a cortante y a flexión aumentan sobre un elemento, también aumentara la cantidad de acero que tenga que incorporare, pero si no aplicamos una cuantía indicada en una estructura, tendremos al final un elemento sub reforzado (con muyyy poco refuerzo) que fallara rápidamente por flexión o cortante, o un elemento sobre reforzado (con muuuuucho refuerzo) que fallara rápidamente por compresión, y ambos casos son los menos deseados.
Y viene ahora una pregunta crucial: ¿Como conocer la cuantía de acero a usar?: la respuesta dependerá principalmente del diseñador estructural, el no solo definirá las dimensiones finales de los elementos estructurales, sino que ademas, estudiara las cargas y esfuerzos que llegan a estos elementos y finalmente, aplicando sus conocimientos y los requerimientos estipulados por las normas de construcción existentes, indicara la cuantía a implementar y lo resumida en un plano de despeines, el cual, mostrara que barras de acero deben usarse en cada viga y columna y como deben estar dispuestos.
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| Ejemplo despeine de viga fuente: Biblioteca SENA |
Con un plano de despieces, lo único que falta es leerlo y así saber cuanto acero debe utilizare y como debe disponer para cada elemento al momento de ser construido
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