Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones

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APUNTES INTRODUCCIÓN A LAS ESTRUCTURAS Grado en Arquitectura Técnica y Edificación Universidad Politécnica de Cataluña AprenAI 2026-2027 Apuntes de Introducción a las Estructuras: cargas, vínculos, esfuerzos, arcos, losas, tipos de suelo y cimentaciones continuas y aisladas.

APREN.AI Índice 1 Principios Fundamentales, Cargas y Condiciones de Equilibrio Definición y rol arquitectónico de la estructura Requisitos del sistema estructural Clasificación de las cargas mecánicas Mecanismos de reacción y estados de equilibrio Comportamiento frente al medio físico de asiento 2 Vínculos de Sujeción y Tipología de Esfuerzos Internos Concepto de vínculos y grados de restricción Grado de hiperestaticidad del sistema Esfuerzos tensionales básicos y compuestos 3 Morfología y Comportamiento de Elementos y Sistemas Estructurales Clasificación geométrica de los elementos estructurales Dimensionamiento preliminar de pilares y vigas Anatomía y tipologías de arcos Reticulados y celosías trianguladas Sistemas de losas y entrepisos 4 Mecánica de Suelos y Sistemas de Cimentación Suelo, subsuelo y capacidad portante Comportamiento y clasificación geotécnica de los terrenos Misión y tipología de las cimentaciones Clasificación de cimentaciones según su continuidad 5 Resumen para repasar Principios y equilibrio estructural Vínculos y solicitaciones internas Tipología de elementos, arcos y losas Mecánica de suelos y cimentaciones Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 1 1 Principios Fundamentales, Cargas y Condiciones de Equilibrio AL ACABAR SABRÁS Definir el concepto de estructura y sus modalidades de integración arquitectónica. Clasificar las acciones y cargas según su variación temporal. Analizar las condiciones de equilibrio de traslación y rotación en apoyos simples y voladizos. PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué un balcón en voladizo requiere una fijación radicalmente distinta a la de una viga apoyada sobre dos pilares?

Definición y rol arquitectónico de la estructura Una estructura es un ensamble de componentes enlazados cuyo propósito consiste en captar las acciones mecánicas, soportarlas y canalizarlas adecuadamente hacia el terreno evitando deformaciones perjudiciales. En su relación con el diseño arquitectónico, el sistema resistente se manifiesta según tres modalidades: Diferenciada: la estructura funciona de manera totalmente independiente respecto al cerramiento o envolvente. Indiferenciada: el cerramiento asume plenamente la función portante, integrándose por completo. Mixta: combina ambas estrategias disimulando u ocultando visualmente los miembros estructurales.

Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 2 Esquema de tipologías de integración arquitectónica entre estructura y envolvente. Requisitos del sistema estructural Para asegurar su correcto funcionamiento, toda estructura debe satisfacer criterios esenciales de equilibrio y desempeño: Equilibrio estable: la suma de todas las fuerzas actuantes resulta nula y no existe posibilidad de rotación o giro no controlado. Equilibrio estático: garantiza la inmovilidad absoluta de la construcción con respecto a sus puntos de apoyo. Resistencia: aptitud de las piezas para equilibrar las fuerzas externas aplicadas sobre el conjunto.

Eficiencia: proporción óptima entre las metas resistentes logradas y las solicitaciones mecánicas demandadas. Rigidez: capacidad de los elementos para impedir deformaciones permanentes ante las cargas en servicio y el peso propio. DEFINICIÓN Las reacciones corresponden a fuerzas generadas en las zonas de apoyo para compensar y equilibrar las acciones y cargas exteriores transmitidas por las piezas estructurales.

Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 3 Clasificación de las cargas mecánicas Las solicitaciones exteriores que actúan sobre un edificio se catalogan de acuerdo con su permanencia temporal y su variabilidad: Naturaleza de la carga Variedad Manifestaciones concretas Estáticas (invariables en el tiempo) Permanentes Peso propio de los componentes resistentes. Accidentales o transitorias Ocupantes humanos, mobiliario y empuje del viento. Dinámicas (intensidad y duración variables) De impacto Oleaje, descarga abrupta de mercadería e ingreso de vehículos. De resonancia Sismos y vibraciones provocadas por maquinarias.

COMPRUEBA 2 ¿Por qué el viento se clasifica como una carga estática accidental y no permanente? Mecanismos de reacción y estados de equilibrio La forma de neutralizar las cargas depende de la disposición de los apoyos en el elemento: Apoyo simple (columnas): genera una reacción idéntica en intensidad y directriz a la carga vertical, pero con sentido opuesto sobre la misma línea de acción ( ). Dos apoyos (vigas): la carga es compensada por dos reacciones paralelas cuya resultante suma la totalidad de la fuerza ( ).

Un apoyo empotrado (voladizo o cantilever): al no coincidir el punto de aplicación de la carga con la reacción vertical, se produce un momento flector ( ) que debe ser contrarrestado por un momento reactivo ( ) para mantener el reposo rotacional ( ). F = R F = R + a R b M F M R F + M = F R + M R Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 4 Diagrama del equilibrio estático de traslación y rotación en voladizo.

Comportamiento frente al medio físico de asiento El equilibrio cinemático y geométrico de la estructura sobre su base adopta tres estados diferenciados: Modalidad de equilibrio Comportamiento físico Indiferente Se sostiene como cuerpo en balance, pero carece de quietud estática ante perturbaciones. Inestable Las perturbaciones introducen transformaciones irreversibles, generando corrimientos no recuperables. Estable Las modificaciones inducidas resultan intrascendentes, logrando el restablecimiento pleno del estado inicial. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 5 Diagrama de los tres comportamientos de equilibrio de una estructura.

ERROR FRECUENTE Confundir el equilibrio indiferente con el equilibrio estático. En el estado indiferente la resultante puede ser nula de forma momentánea, pero la pieza se desplaza sin restablecer su punto original al aplicarse una fuerza externa mínima. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 6 ESQUEMA Clasificación general de cargas estructurales IDEAS CLAVE Una estructura canaliza cargas hacia el terreno garantizando resistencia y rigidez sin deformaciones permanentes. Las cargas estáticas pueden ser permanentes (peso propio) o transitorias (personas, muebles, viento).

En voladizos o cantilevers, la excentricidad de la carga respecto al apoyo genera un momento flector que exige un momento reactivo de empotramiento. El equilibrio estable permite que el sistema recupere su posición inicial tras el cese de la fuerza. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 3. ¿Qué condición estática define el soporte de una viga apoyada en dos extremos? 4. ¿Cómo se diferencian las cargas de impacto de las de resonancia?

Cargas mecánicas Acciones exteriores sobre el sistema Estáticas Permanecen constantes o casi invariables Permanentes Peso propio del edificio Transitorias Personas, muebles y viento Dinámicas Varían con rapidez en magnitud y tiempo De impacto Colisiones, olas y cargas súbitas 〰 De resonancia Movimientos sísmicos y máquinas Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 7 Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 5. ¿Qué elemento resiste las cargas combinando equilibrio de traslación con un momento reactivo en un único apoyo? 6. ¿Cuál es un ejemplo característico de carga dinámica de resonancia? 7.

Una estructura en equilibrio inestable ante un estímulo exterior experimenta: 8. ¿Qué integración se produce cuando la envolvente del edificio absorbe completamente la labor portante? 2 Vínculos de Sujeción y Tipología de Esfuerzos Internos AL ACABAR SABRÁS Identificar los grados de libertad suprimidos por vínculos de primer, segundo y tercer grado. Diferenciar las consecuencias de deformación entre sistemas isostáticos e hiperestáticos. Reconocer las características de los esfuerzos simples frente a los esfuerzos compuestos. PIÉNSALO ANTES DE LEER 9 ¿Por qué dos vigas de idéntico material rompen a distinta carga si una apoya suelta y la otra está empotrada?

Una articulación libre a) Un voladizo b) Una columna centrada c) Una viga biapoyada d) Vibraciones causadas por maquinaria a) Mobiliario interior b) Entrada de vehículos c) Descarga de cajas d) Deformación elástica reversible a) Incremento de rigidez b) Desplazamientos irreversibles no recuperables c) Restablecimiento inicial total d) Estructura mixta a) Estructura diferenciada b) Estructura isostática c) Estructura indiferenciada d) Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 8 Concepto de vínculos y grados de restricción Un vínculo es un dispositivo mecánico de sujeción con aptitud para restringir los desplazamientos en el espacio de los cuerpos rígidos.

Se clasifican según el número de libertades de movimiento que suprimen: Vínculo Grados restringidos Movimientos impedidos Ejemplo en la construcción Articulación móvil o libre (1.° grado) 1 Impide la traslación vertical; permite rotar y desplazarse horizontalmente. Viga de madera simplemente apoyada sobre pilar de ladrillos. Articulación fija (2.° grado) 2 Impide traslación vertical y horizontal; permite la rotación libre. Viga de madera vinculada a soporte mediante pernos y planchuelas. Empotramiento (3.° grado) 3 Impide traslación horizontal, vertical y todo giro angular. Encuentro rígido de pórtico de hormigón armado con armadura continua.

Esquema comparativo de vínculos de apoyo de 1.°, 2.° y 3.° grado. Grado de hiperestaticidad del sistema La forma en que se vinculan las piezas entre sí y al suelo condiciona la distribución interna de tensiones: Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 9 Sistemas isostáticos: sus conexiones poseen holgura cinemática (apoyos fijos o móviles). La flexión o cedimiento de una barra no transfiere deformaciones perjudiciales al resto del entramado. Sistemas hiperestáticos: presentan una unión monolítica continua como el empotramiento. La deformación de una sección se transmite a todos los elementos del marco, otorgando mayor rigidez pero requiriendo un análisis más complejo.

Diagrama de deformación independiente en un sistema estructural isostático. Diagrama de transmisión de deformaciones en un pórtico hiperestático continuo. COMPRUEBA 10 ¿Qué libertad cinemática distingue una articulación fija (2.° grado) de un empotramiento (3.° grado)? Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 10 Esfuerzos tensionales básicos y compuestos Las cargas exteriores generan tensiones internas que alteran la cohesión intermolecular del material. Se dividen en dos categorías: 1. Esfuerzos simples o sencillos Compresión: surge de fuerzas colineales y convergentes que empujan hacia el interior del sólido, obligando a las partículas moleculares a aproximarse entre sí.

Tracción: producida por fuerzas divergentes sobre el eje axial que estiran el componente, provocando que las moléculas intenten distanciarse recíprocamente. Corte (cizallamiento): resulta de dos fuerzas opuestas, paralelas y situadas a distancias mínimas transversales al eje de la pieza, generando el deslizamiento relativo de secciones continuas. 2. Esfuerzos compuestos Flexión: solicitación provocada por fuerzas perpendiculares al eje longitudinal comprendidas en su plano directriz, comprimiendo un extremo y traccionando el opuesto. Pandeo: deformación lateral repentina producida por esbeltez geométrica excesiva en piezas sometidas a esfuerzos de compresión axial.

Torsión: rotación helicoidal de las secciones transversales respecto al eje longitudinal de simetría de la pieza. ERROR FRECUENTE Considerar el pandeo como un esfuerzo independiente de la compresión. El pandeo no es una carga en sí, sino una falla por inestabilidad elástica lateral que sufren barras esbeltas bajo compresión crítica. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 11 ESQUEMA Clasificación de esfuerzos mecánicos internos IDEAS CLAVE Los vínculos limitan los grados de libertad: apoyo móvil quita 1, articulación fija quita 2 y empotramiento quita 3.

En sistemas isostáticos la alteración de una pieza no perturba al resto; en hiperestáticos la deformación se propaga a todo el conjunto. Los esfuerzos simples son tracción, compresión y corte; los compuestos son flexión, pandeo y torsión. El corte genera deslizamiento tangencial relativo, y la torsión produce giro alrededor del eje neutro longitudinal.

Tensiones internas Respuesta molecular a cargas aplicadas Esfuerzos básicos Actúan en modo uniaxial o tangencial directo Compresión Fuerzas convergentes que aproximan moléculas Tracción Fuerzas divergentes que separan moléculas Corte Deslizamiento paralelo de secciones contiguas Esfuerzos compuestos Combinan múltiples estados tensionales Flexión Curvatura que comprime y tracciona fibras 〰 Pandeo Inestabilidad lateral por esbeltez en compresión Torsión Giro rotatorio transversal sobre el eje neutro Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 12 COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 11. ¿Por qué un pórtico monolítico de hormigón se considera una estructura hiperestática? 12.

¿Qué solicitación compuesta combina compresión y flexión imprevista en pilares muy esbeltos? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 13. ¿Cuántos grados de libertad suprime una articulación móvil? 14. ¿Qué esfuerzo interno intenta separar las moléculas debido a fuerzas axiales divergentes? 15. ¿Cuál es la causa determinante del pandeo en piezas sometidas a compresión? 16. Un nudo rígidamente soldado o empotrado en un pórtico se cataloga como un vínculo de: 3 Morfología y Comportamiento de Elementos y Sistemas Estructurales AL ACABAR SABRÁS Diferenciar componentes filiformes, prismáticos, laminares y superficiales.

Calcular la sección requerida de una pieza prismática a partir de la tensión admisible. Identificar las partes de un arco y las tipologías de reticulados planos y espaciales. PIÉNSALO ANTES DE LEER 17 ¿Por qué un puente reticulado de barras delgadas resiste el paso de un tren sin flexionarse como una viga maciza?

Tres grados a) Ningún grado b) Dos grados c) Un grado d) Compresión a) Torsión b) Corte c) Tracción d) Excesiva esbeltez del elemento a) Torsión biaxial simultánea b) Fuerzas de resonancia c) Falta de armadura transversal d) Primer grado a) Tercer grado b) Segundo grado c) Cuarto grado d) Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 13 Clasificación geométrica de los elementos estructurales Los componentes resistentes se organizan según la preponderancia de sus dimensiones espaciales y su régimen tensional: Lineales o filiformes: predomina ampliamente la longitud sobre la sección (cables, tensores, alambres, varillas).

Funcionan sometidos a tracción pura bajo cargas axiales divergentes. Son óptimos para techos suspendidos y puentes colgantes. Prismáticos: el volumen y la forma de la sección adquieren relevancia fundamental (pilares, vigas, tirantes, arcos). Resisten solicitaciones de compresión, flexión, corte, pandeo y torsión. Superficiales o membranas: telas o carpas tensadas donde el espesor es insignificante. Trabajan a tracción superficial pura. Laminares (cáscaras y placas): superficies delgadas con rigidez propia: Cáscaras de curvatura simple (bóvedas): trabajan bajo compresión predominante y tracción tangencial.

Cáscaras de doble curvatura (cúpulas y paraboloides hiperbólicos o sillas de montar): resisten por forma mediante tensiones directas en múltiples direcciones espaciales. Placas o pantallas: elementos verticales planos paralelos a las fuerzas de sustentación que resisten flexión lateral. Losas de entrepiso y cubierta: láminas horizontales solicitadas perpendicularmente a su plano mediante flexión pura. Esquema morfológico de elementos estructurales lineales, prismáticos y laminares.

Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 14 Dimensionamiento preliminar de pilares y vigas La sección resistente requerida ( ) se calcula relacionando la carga actuante ( ) con la tensión admisible del material ( ): Para resistir una carga de compresión de 4.000 kg sobre pilares prismáticos de sección cuadrada ( ), se obtienen las siguientes proporciones según el material: Material del pilar Tensión admisible Área necesaria Sección transversal Peso por metro Madera 2,8 kg/m Acero 2,5 kg/m Hormigón armado 19 kg/m Ladrillos (mampostería) 12 kg/m En el caso de una viga horizontal solicitada a flexión con una carga de 2.000 kg: Madera: área de (sección comercial de ).

Acero: área de (perfil doble T de ). Hormigón armado: área de (sección de ). COMPRUEBA 18 ¿Por qué el ladrillo demanda un área transversal de 667 cm² para soportar 4.000 kg mientras que el acero solo requiere 3,3 cm²? Anatomía y tipologías de arcos El arco es una pieza directriz curva que transmite las cargas mayoritariamente mediante esfuerzos de compresión pura hacia sus apoyos laterales.

S P σ adm S = σ adm P l = S 100 kg/cm 2 40 cm2 6,32 × 6,32 cm 1.200 kg/cm2 3,3 cm2 1,81 × 1,81 cm 200 kg/cm 2 20 cm2 4,47 × 4,47 cm 6 kg/cm 2 667 cm2 26 × 26 cm 20 cm2 10 × 20 cm 1,66 cm2 6,5 × 14 cm 10 cm2 5 × 20 cm Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 15 Esquema con las partes anatómicas y terminología técnica del arco. Consta de las siguientes partes características: Variedad de arco Proporción geométrica Comportamiento tensional Medio punto (romano) Semicircunferencia perfecta; la luz mide exactamente el doble de la flecha ( ). Trabaja estrictamente a compresión simple hacia los estribos.

Ojival o peraltado (árabe/gótico) La flecha posee una marcada preeminencia dimensional sobre la luz. Optimiza el régimen de compresión reduciendo los empujes hacia afuera. Rebajado La flecha es considerablemente menor que la semiluz. Exige tecnología de tensores o apoyos masivos por el fuerte empuje lateral. Luz: ancho o distancia libre horizontal entre los apoyos interiores. 1 Flecha: altura máxima desde la base o imposta hasta la clave superior. 2 Dovelas: piezas cuñiformes individuales que forman la curvatura. 3 Clave: dovela central superior que traba mecánicamente todo el arco. 4 Salmeres: dovelas de arranque ubicadas sobre la imposta. 5 Intradós: cara interior cóncava visible del arco.

6 Extradós: cara exterior convexa superior de la estructura. 7 Imposta: saliente o base sobre el soporte vertical donde arranca el arco. 8 Línea de arranque: nivel horizontal que une el inicio del arco en ambos lados. 9 Tensor: elemento a tracción ubicado entre apoyos en arcos metálicos para frenar el empuje lateral. 10 L = 2f Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 16 Esquema geométrico y tensional de arcos de medio punto, ojival y rebajado. Reticulados y celosías trianguladas Los sistemas reticulados se fundamentan en la indeformabilidad del triángulo como figura geométrica elemental.

Permiten salvar grandes luces sin soportes intermedios mediante barras trabajando axialmente: Cabriadas: estructuras planas para techos con pendientes a dos aguas. Utilizan pendolón y tirante a tracción, combinados con pares y tornapuntas a compresión (ejemplos: cabriada de pendolón, variantes Howe y Fink). Celosías planas: vigas compuestas con cordón superior e inferior paralelos (sistemas Warren y Pratt), destinadas a entrepisos o cubiertas planas. Cerchas curvas: presentan su cordón superior en arco continuo o quebrado, adaptándose a lucernarios y galpones industriales (como el Ferrocarril Central).

Estereoestructuras: mallas tridimensionales espaciales formadas por pirámides de base cuadrangular o equilátera; absorben flexión trabajando en 4 planos perpendiculares entre sí, dos a dos. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 17 Esquema de configuraciones de cabriadas trianguladas de pendolón, Howe y Fink. Esquema de ensamblaje modular de estereoestructuras tridimensionales espaciales.

Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 18 Sistemas de losas y entrepisos Las losas son componentes superficiales delgados que resuelven los planos de uso horizontal: Mecanismo portante Disposición de apoyos Particularidades constructivas Armadas en una dirección Apoyadas solo en dos bordes paralelos sobre vigas. Flexión unidireccional perpendicular a las vigas soporte. Armadas en dos direcciones Perimetrales con vigas de borde continuas. Reparto bidireccional de momentos de flexión. Placas planas sin vigas Apoyo puntual directo sobre columnas. Requiere armadura concentrada contra punzonamiento en nudos.

Losas sobre capiteles Apoyo sobre columnas provistas de ensanche o capitel. Aumenta la superficie de corte para evitar la perforación de la losa. Losas nervadas (casetonadas) Viguetas en 1 o 2 direcciones. Reducen peso propio suprimiendo el hormigón bajo tracción. Entrepisos de madera Machimbrado clavado sobre tirantes o viguetas. Estructura liviana apoyada en vigas mayores o dinteles de pórticos. Losas cerámicas con bovedillas Viguetas prefabricadas de hormigón y piezas cerámicas huecas. Solución alivianada prearmada de montaje manual rápido. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 19 Esquema de tipologías de losas macizas, nervadas, entrepisos y losas con bovedillas.

ERROR FRECUENTE Olvidar colocar capiteles o refuerzos por corte en losas planas sin vigas. Las losas apoyadas directamente en pilares sufren altas concentraciones de tensiones cortantes (punzonamiento) que pueden perforar la masa de hormigón. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 20 PROCESO Proceso de transmisión de esfuerzos en arco IDEAS CLAVE Las barras lineales resisten tracción pura axial, mientras que las losas y vigas absorben flexión transversal. El arco de medio punto tiene una luz equivalente exactamente al doble de su flecha y disipa cargas por compresión.

Los reticulados aprovechan la triangulación para evitar momentos flectores y salvar grandes luces con esfuerzo axial. Las estereoestructuras son entramados espaciales tridimensionales que resisten solicitaciones en cuatro planos ortogonales. Las losas nervadas y con bovedillas alivianan la masa estructural eliminando masa inerte de hormigón en la zona de tracción. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 19. ¿Qué miembro reticulado de una cabriada trabaja a tracción para impedir la separación de los apoyos? 20. ¿En qué se diferencia una losa sobre capiteles de una losa plana tradicional sin vigas?

Carga exterior Peso gravitacional sobre la clave 1 Compresión en dovelas Acuñamiento progresivo entre caras 2 Descenso al salmer Canalización oblicua hacia la imposta 3 Empuje en apoyo Descomposición en carga vertical y empuje lateral 4 Absorción de empuje Contrarrestado por tensor metálico o estribos masivos 5 Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 21 Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 21. ¿Cuál es la relación geométrica fija de un arco romano de medio punto? 22. ¿Qué componente de una cabriada clásica se encuentra solicitado a tracción axial? 23. ¿Qué forma laminar de doble curvatura se conoce popularmente como silla de montar? 24.

Las estereoestructuras espaciales tridimensionales se componen de: 4 Mecánica de Suelos y Sistemas de Cimentación AL ACABAR SABRÁS Identificar las propiedades y limitaciones portantes de suelos coherentes y disgregados. Distinguir cimentaciones directas frente a indirectas. Seleccionar la cimentación adecuada según el estrato de suelo y el número de niveles del edificio. PIÉNSALO ANTES DE LEER 25 ¿Por qué un pilar de hormigón no puede apoyarse directamente sobre la tierra sin ensanchar su base?

Suelo, subsuelo y capacidad portante El suelo es el soporte físico natural sobre el que se apoya la edificación y el medio encargado de suministrar las reacciones de equilibrio para compensar todas las cargas, incluido el peso propio. El subsuelo conforma el estrato geotécnico profundo de asiento; debe reunir características mecánicas intrínsecas que prevengan fallas como agrietamientos, desplazamientos, hundimientos diferenciales o socavones derivados de aguas subterráneas.

La luz es el doble de la flecha a) La flecha duplica la luz b) La luz es igual a la flecha c) La flecha es un tercio de la luz d) El apoyo rígido a) El pendolón y el tirante b) El par inclinado c) El tornapuntas d) Losa plana nervada a) Bóveda de cañón corrido b) Paraboloide hiperbólico c) Cúpula esférica de revolución d) Cables filiformes pretensados a) Pirámides equiláteras trianguladas b) Muros de mampostería maciza c) Vigas simplemente apoyadas d) Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 22 Comportamiento y clasificación geotécnica de los terrenos Según la unión de sus partículas constituyentes frente al agua, se distinguen dos grupos: Suelos coherentes: partículas fuertemente enlazadas entre sí con alta resistencia a desintegrarse con agua (destacan los estratos arcillosos secos o estables).

Suelos disgregados: dominados por partículas sólidas sueltas como arenas o cantos rodados, con mínima o nula matriz arcillosa. Tipo de terreno Descripción técnica Aptitud para fundar Tierra colorada Suelo compacto, estable y de notable capacidad resistente (mezcla equilibrada de arena y arcilla). Apto Tosca Mezcla de grava y arena de alta densidad con gran resistencia y estabilidad tras compactarse. Apto Roca Estrato rocoso con altos contenidos de carbonato de calcio y gran resistencia mecánica. Apto Arena seca confinada Masa granular de arena gruesa contenida lateralmente sin riesgo de desmoronamiento.

Apto Arcilla controlada Resistente de forma adecuada únicamente si conserva un tenor de humedad constante y controlado. Apto Loess Estrato arcilloso-limoso con aptitudes mecánicas limitadas o condicionadas. Apto con reservas Arena muy fina Partículas diminutas que facilitan el deslizamiento y pérdida de sustentación. Inapto Arcilla muy húmeda Expuesta a cambios drásticos de volumen y marcada inestabilidad térmica y plástica. Inapto Arena saturada húmeda Sufre variaciones negativas considerables en su volumen y masa al saturarse. Inapto Materia orgánica y humus Suelos vegetales o rellenos antrópicos (antiguos basurales) en descomposición; incapaces de aportar resistencia.

Inapto COMPRUEBA 26 ¿Bajo qué condición específica puede considerarse la arena como un estrato apto para asentar una estructura? Misión y tipología de las cimentaciones Debido a que el suelo no posee una resistencia puntual elevada, las fundaciones tienen por cometido recibir, resistir y transmitir las cargas concentradas hacia una superficie de asiento más amplia, equiparando la presión transmitida con la tensión admisible del estrato. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 23 Se dividen en dos grupos según el plano de fundación: Directas (superficiales): cuando el estrato competente se halla a poca profundidad, permitiendo asentar la estructura sin intercesores.

Indirectas (profundas): empleadas ante estratos superficiales precarios o inestables, recurriendo a elementos intermedios para buscar firmeza en estratos profundos. Esquema y secciones de cimientos continuos y aislados de hormigón ciclópeo y armado.

Clasificación de cimentaciones según su continuidad La elección del cimiento depende de la estratigrafía, el tipo de suelo y el nivel de carga demandado por la obra: Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 24 Morfología del cimiento Variedad constructiva Condiciones del suelo Magnitud de carga y niveles Continuas o superficiales (corren ininterrumpidamente bajo todos los muros portantes) Piedra bruta colocada (PBC) unida con mortero Tierra colorada Carga baja (edificaciones de 1 nivel). PBC con encadenado de hormigón armado Tosca o roca Carga media (edificaciones de 1 nivel).

Hormigón ciclópeo (capas alternadas de masa y piedra bruta) Arena confinada Carga media (obras de 1 a 2 niveles). Hormigón ciclópeo con encadenado de hormigón armado Tierra colorada o arena confinada Carga media a alta (obras de 2 niveles). Zapata corrida de hormigón armado (sección ensanchada con efecto flotador) Arcilla de estabilidad relativa Carga media (edificaciones de 2 niveles). Discontinuas o profundas (apoyos puntuales aislados en posiciones nodales específicas) Zapata aislada de hormigón armado (sistema hiperestático vinculado por vigas de atado) Tierra colorada resistente Carga alta (edificios de varios niveles en altura).

Bloques aislados de hormigón ciclópeo (sistema isostático asistido por pilares y vigas) Tosca o roca Carga media (algunos niveles de altura). Diagrama en sección transversal de una zapata corrida de hormigón. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 25 Diagrama en perspectiva de una base puntual de zapata aislada. ERROR FRECUENTE Cimentar zapatas sobre arcillas saturadas o arenas finas sin confinamiento lateral. La pérdida de agua o la alteración volumétrica causan asentamientos diferenciales severos que fisuran muros y deforman los nudos estructurales.

Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 26 ESQUEMA Clasificación de tipologías de cimentación Fundaciones Órganos de transición de carga al terreno Continuas (superficiales) Recorren la base lineal de todos los muros Piedra bruta colocada Bloques trabados con mortero para carga baja Hormigón ciclópeo Masa de hormigón alternada con piedra bruta Zapata corrida Hormigón armado con base ensanchada flotante Discontinuas (puntuales) Asientan columnas en posiciones específicas Zapata aislada Base de hormigón armado para edificios en altura Bloque ciclópeo aislado Bloque puntual isostático de apoyo Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 27 IDEAS CLAVE El suelo provee las reacciones mecánicas indispensables para estabilizar las cargas de la edificación.

Los suelos coherentes presentan resistencia al agua, mientras que la materia orgánica y el humus son totalmente inaptos para fundar. Las cimentaciones amplían la superficie de contacto para adecuar las cargas a la capacidad portante del terreno. Las cimentaciones continuas (PBC, hormigón ciclópeo, zapata corrida) se ubican bajo toda la longitud de los cerramientos. Las cimentaciones discontinuas (zapatas aisladas o bloques) concentran la transmisión en los pilares principales. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 27. ¿Por qué la zapata corrida de hormigón armado se utiliza preferentemente sobre suelos arcillosos? 28.

¿Qué diferencia constructiva existe entre el cimiento de piedra bruta colocada (PBC) y el de hormigón ciclópeo? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 29. ¿Qué suelo resulta plenamente inadmisible para el apoyo de cimientos de un edificio? 30. ¿Qué cimiento continuo es idóneo para una vivienda de un nivel con baja carga en tierra colorada? 31. Las cimentaciones discontinuas con zapatas aisladas hiperestáticas se recomiendan para: 32.

Un suelo que resiste notablemente la desintegración frente al agua se cataloga como: Tierra colorada arenosa a) Humus o tierra vegetal b) Roca con carbonatos c) Tosca compactada d) Zapata aislada profunda a) Losa de capiteles b) Pilote de fricción c) Piedra bruta colocada (PBC) d) Estructuras ligeras de carpas a) Edificios de gran altura y carga b) Muros de cerramiento perimetral simple c) Cargas muy bajas en barro d) Coherente a) Eólico b) Disgregado c) Orgánico d) Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 28 5 Resumen para repasar Principios y equilibrio estructural Concepto Definición sintética Estructura Ensamble de elementos vinculados capaz de recibir, resistir y transmitir cargas al suelo sin deformaciones perjudiciales ni colapso.

Integración diferenciada Configuración donde el entramado resistente y el cerramiento actúan de manera totalmente independiente. Integración indiferenciada Diseño en el que el cerramiento o envolvente asume íntegramente la función portante del edificio. Integración mixta Combinación de sistemas donde los componentes estructurales se camuflan o integran visualmente en la arquitectura. Equilibrio estable Estado en que la resultante de fuerzas y giros es nula y el sistema recupera su posición original tras una perturbación. Equilibrio estático Garantía de inmovilidad física total de la estructura con respecto a sus puntos de sustentación.

Cargas estáticas permanentes Acciones constantes e invariables en el tiempo, constituidas esencialmente por el peso propio estructural. Cargas estáticas accidentales Acciones transitorias de magnitud variable, tales como ocupantes, mobiliario y empuje del viento. Cargas dinámicas Fuerzas de impacto súbito (oleaje, vehículos) o de resonancia rítmica oscilatoria (sismos, vibraciones de máquinas). Reacciones de apoyo Fuerzas reactivas generadas en las vinculaciones para contrarrestar con igual magnitud y sentido opuesto las acciones externas.

Vínculos y solicitaciones internas Concepto Definición sintética Articulación móvil (1.er grado) Dispositivo que suprime 1 grado de libertad impidiendo la traslación vertical pero permitiendo giro y desplazamiento horizontal. Articulación fija (2.º grado) Vínculo que suprime 2 grados de libertad impidiendo toda traslación en el plano pero habilitando la rotación. Empotramiento (3.er grado) Unión monolítica que suprime los 3 grados de libertad bloqueando cualquier desplazamiento lineal y rotacional. Sistema isostático Conjunto con apoyos estrictamente necesarios donde la deformación de una pieza no induce esfuerzos en las demás.

Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 29 Concepto Definición sintética Sistema hiperestático Conjunto con vínculos continuos o redundantes que redistribuye esfuerzos y transfiere deformaciones entre todos sus miembros. Compresión Esfuerzo simple originado por fuerzas axiales convergentes que tienden a aproximar las partículas moleculares del material. Tracción Esfuerzo simple derivado de cargas axiales divergentes que provocan el distanciamiento molecular del sólido. Corte Esfuerzo simple producido por dos fuerzas paralelas muy próximas que inducen el deslizamiento relativo entre secciones contiguas.

Flexión Esfuerzo compuesto derivado de cargas transversales que genera compresión en un borde y tracción en el opuesto. Pandeo Inestabilidad lateral repentina en piezas esbeltas sometidas a cargas axiales de compresión. Torsión Rotación de las secciones transversales alrededor del eje neutro longitudinal directriz de la pieza. Tipología de elementos, arcos y losas Concepto Definición sintética Elemento filiforme Pieza donde predomina la longitud sobre la sección (cable, tirante) que resiste exclusivamente a tracción pura. Elemento prismático Pieza volumétrica (pilar, viga) cuya forma seccional condiciona la absorción de compresión, flexión o torsión.

Estructura laminar Superficie de escaso espesor que resiste solicitaciones por su curvatura espacial (cáscaras) o por flexión (placas y losas). Arco de medio punto Estructura semicircular cuya luz duplica a la flecha, descargando hacia las jambas mediante compresión pura. Arco ojival Arco peraltado donde la flecha supera a la luz, optimizando el régimen de compresión con menores empujes laterales. Arco rebajado Arco con flecha reducida respecto a la semiluz que genera fuertes empujes horizontales y demanda tensores. Dovelas y clave Piezas acuñadas del arco que transmiten la carga por contacto, coronadas por la pieza central superior de trabazón (clave).

Reticulados y cabriadas Entramados triangulados indeformables que salvan grandes luces descomponiendo la flexión en esfuerzos axiales puros. Estereoestructura Malla espacial tridimensional de módulos piramidales que distribuye cargas en cuatro planos de trabajo perpendiculares dos a dos. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 30 Concepto Definición sintética Losa sobre capiteles Placa sin vigas soportada directamente sobre pilares ensanchados para disipar las concentraciones de cortante por punzonamiento. Losa nervada y alivianada Placa rigidizada con nervios o bovedillas cerámicas que prescinde del hormigón traccionado para aligerar peso propio.

Mecánica de suelos y cimentaciones Concepto Definición sintética Suelos coherentes Terrenos de matriz arcillosa con partículas fuertemente cohesionadas y notable resistencia a desintegrarse con agua. Suelos disgregados Estratos formados por partículas granulares sueltas (gravas, arenas) con reducida o nula presencia de cohesión arcillosa. Suelos aptos para fundar Estratos estables bajo carga como tierra colorada compacta, toscas, rocas consolidadas y arenas secas debidamente confinadas. Suelos inaptos para fundar Capas inestables como humus vegetal, rellenos con materia orgánica, arcillas saturadas expansivas y arenas finas movedizas.

Cimentación directa Transmisión de cargas superficial sobre estratos resistentes accesibles sin necesidad de elementos de transición profunda. Piedra bruta colocada (PBC) Cimiento corrido continuo de mampuestos de piedra trabados con mortero para construcciones ligeras de una planta. Hormigón ciclópeo Cimentación continua de masa de hormigón alternada con bloques pétreos para cargas medias en obras de hasta dos plantas. Zapata corrida Banda continua ensanchada de hormigón armado con comportamiento flotante, adecuada para suelos arcillosos homogéneos. Zapata aislada Base puntual de hormigón armado arriostrada para transmitir cargas elevadas de pilares en edificios desarrollados en altura.

Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 31 Soluciones de las preguntas de repaso 1. Porque al estar sujeto solo por un extremo, la carga produce un giro o momento flector que debe ser absorbido por un empotramiento rígido. 2. Porque actúa con magnitud variable y de forma no continua en el tiempo, a diferencia del peso propio de la estructura que permanece constante e invariable. 3. La suma algebraica de las dos fuerzas reactivas ( ) debe ser igual en magnitud a la fuerza externa aplicada actuando sobre la misma línea directriz. 4.

Las de impacto provienen de choques repentinos como olas o vehículos, mientras que las de resonancia son vibraciones rítmicas oscilatorias como sismos o maquinaria. 5. b) Un voladizo. El voladizo o cantilever requiere un momento reactivo en su empotramiento para impedir el giro inducido por la carga excéntrica. 6. a) Vibraciones causadas por maquinaria. Las vibraciones de máquinas transmiten ondas periódicas y rítmicas correspondientes a cargas dinámicas de resonancia. 7. c) Desplazamientos irreversibles no recuperables. El equilibrio inestable se caracteriza por sufrir fallos y deformaciones no recuperables que impiden volver al estado previo. 8. d) Estructura indiferenciada.

En la modalidad indiferenciada, el cerramiento y el soporte estructural constituyen un mismo elemento integrado. 9. Porque el empotramiento restringe los giros en los apoyos, distribuyendo los momentos flectores y modificando la resistencia total. 10. La articulación fija permite el libre giro angular de la sección transversal, mientras que el empotramiento anula completamente tanto los desplazamientos como las rotaciones. 11. Porque sus nudos funcionan como empotramientos continuos que eliminan los tres grados de libertad, transfiriendo esfuerzos a todo el sistema. 12.

El pandeo, que genera una flexotensión lateral indeseada debida a la escasa sección en relación con la longitud de la columna. 13. d) Un grado. El apoyo móvil únicamente restringe el movimiento perpendicular a la superficie de apoyo, suprimiendo 1 grado de libertad. 14. d) Tracción. La tracción consiste en fuerzas divergentes aplicadas en el eje longitudinal que tienden a distanciar las moléculas entre sí. 15. a) Excesiva esbeltez del elemento. El pandeo se desencadena por una excesiva esbeltez geométrica en relación con la magnitud de la carga de compresión. 16. b) Tercer grado. El empotramiento suprime las dos traslaciones y la rotación, actuando como un vínculo de 3.° grado. 17.

Porque transforma la flexión general en esfuerzos simples axiales de tracción y compresión repartidos en sus triángulos indeformables. 18. Por la enorme diferencia de resistencia admisible: el acero soporta 1.200 kg/cm² frente a los escasos 6 kg/cm² de la mampostería de ladrillo. 19. El tensor o tirante horizontal inferior, el cual compensa el empuje de apertura ejercido por los pares inclinados. 20. La losa sobre capitel añade un ensanche piramidal o troncocónico en la cabeza del pilar para reducir las tensiones cortantes de punzonamiento. R + a R b Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 32 21. a) La luz es el doble de la flecha.

Al derivar de una semicircunferencia, el diámetro horizontal (luz) es dos veces el radio vertical (flecha). 22. b) El pendolón y el tirante. Tanto el tensor inferior (tirante) como el pendolón vertical central sostienen cargas colgadas actuando en tracción pura. 23. c) Paraboloide hiperbólico. El paraboloide hiperbólico presenta curvaturas opuestas ortogonales semejando la fisonomía de una silla de montar. 24. b) Pirámides equiláteras trianguladas. Su diseño modular tridimensional se articula en base a módulos poliédricos y piramidales interconectados. 25.

Porque la concentración de carga sobrepasaría la resistencia del suelo, hundiéndose como una aguja; ensanchar la base reduce la presión por unidad de superficie. 26. Debe presentarse en masa seca y completamente confinada de forma lateral para evitar el escape o deslizamiento granular bajo carga. 27. Porque su base ensanchada actúa mediante un efecto de flotador continuo que redistribuye las presiones en terrenos propensos a variaciones de consistencia. 28. El PBC acomoda bloques de piedra asentados con mortero, mientras que el ciclópeo vierte capas alternadas continuas de masa de hormigón con piedra bruta embebida. 29. b) Humus o tierra vegetal.

El humus vegetal contiene restos biológicos en descomposición incapaces de aportar capacidad portante. 30. d) Piedra bruta colocada (PBC). La cimentación corrida de PBC es la opción tradicional y económica indicada para cargas reducidas en terrenos firmes de un nivel. 31. b) Edificios de gran altura y carga. Las zapatas aisladas enlazadas con vigas y pilares de hormigón resisten cargas elevadas en obras desarrolladas en altura. 32. a) Coherente. Los suelos coherentes se componen de partículas fuertemente adheridas que no se desmoronan con facilidad en presencia de humedad. Introducción a las Estructuras: Sistemas y Cimentaciones 33