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estructura de pórticos

¿Qué es una estructura de pórticos y cómo se diseña?

Todo lo que necesitas saber sobre la estructura de pórticos: materiales utilizados, tipos de comportamiento estático, técnicas de diseño

La estructura de pórticos en construcción, por definición compuesta por vigas y pilares, representa un elemento fundamental en el diseño de edificios y desempeña un papel crucial en la estabilidad y durabilidad de una estructura.

En este artículo veremos los aspectos más importantes que conciernen a la estructura de pórticos identificando los elementos que las caracterizan, los diferentes tipos en relación a los diferentes materiales utilizados y las diversas categorías de comportamiento estático.

Además, te mostraremos con un video lo sencillo y rápido que es modelar estructuras de pórticos con un software BIM de diseño estructural.

Visualización gráfica de una estructura de pórticos

Visualización gráfica de una estructura de pórticos

¿Qué es la estructura de pórticos?

La «estructura de pórticos» es un sistema estructural compuesto por una estructura de vigas y pilares que forman un conjunto de marcos. El marco, definido como el elemento estructural compuesto por dos pilares verticales y una viga horizontal rígidamente conectados, se repite tanto en el plano horizontal como vertical. Esta disposición permite una continuidad estática y el uso eficiente del espacio con limitados obstáculos planimétricos.

Los pilares

Son elementos verticales de entrepiso – pueden estar alineados (formando una pilastrada) o posicionados a distancia uno del otro según la luz óptima para los forjados, siguiendo una malla regular de forma cuadrada, rectangular o triangular.

Las vigas

Son elementos horizontales dispuestos en sucesión y constituyen la estructura de las estructuras de pórticos.

Solicitaciones de las estructuras de pórticos

Las estructuras de pórticos trabajan principalmente en régimen de flexión y corte, compresión y flexocompresión. Pilares y vigas son los elementos clave de esta estructura. El pilar, elemento vertical portante, transmite cargas desde la estructura superior a la cimentación, sometiéndose a cargas verticales y horizontales, solicitaciones de esfuerzo normal, momento flector, o flexocompresión.

La viga, similar al pilar pero con dimensiones predominantemente superiores, se define geométricamente como un sólido generado por una figura plana en movimiento en el espacio, manteniéndose ortogonal a las trayectorias descritas por su eje. Las vigas pueden ser principales o secundarias, con diferentes secciones como rectangulares o perfiladas a I, T, L, C, H, etc., con el fin de reducir el peso y optimizar el uso del material según las solicitaciones.

Por otro lado, las vigas también pueden presentar secciones aligeradas, como perfiles de cajón, o reticulares. En el caso de las vigas de cajón, adecuadas para grandes luces, están constituidas por secciones cerradas huecas con elementos de rigidización internos. En cambio, las vigas reticulares, compuestas por barras verticales y diagonales, son ideales para esfuerzos axiales y pueden estar articuladas en los nudos, proporcionando un sistema de barras solicitadas a compresión o tracción, según la posición en la malla reticular.

Tipos de estructuras de pórticos

La estructura de pórticos puede dividirse en diferentes tipos en relación tanto a los materiales como al comportamiento estático. Veamos juntos estas diferencias.

1. Materiales

Los materiales generalmente utilizados para las estructuras de pórticos son el hormigón armado, el acero y la madera.

1.1 Pórticos de hormigón armado

Las estructuras de pórticos de hormigón armado para edificios, sujetas a acciones horizontales, pueden garantizar la estabilidad mediante la implementación de nudos estructurales en las luces. Estos nudos actúan como disipadores de energía, insertando armaduras adicionales para prevenir la expulsión del hormigón durante eventos sísmicos. Alternativamente, se pueden utilizar muros de hormigón armado o núcleos de rigidización, como superficies verticales.

Los pilares y las vigas en las estructuras de pórticos de hormigón armado pueden adoptar diferentes formas. Además, las vigas pueden variar en altura, espesor y pueden ser extradosadas.

Las estructuras pueden ser:

  • vertidas en obra con barras de acero posicionadas en encofrados, garantizando una buena continuidad de transmisión de las solicitaciones a través de anclajes de las barras metálicas en los vertidos.
  • de bloques encofrantes en los cuales se vierte el hormigón. En estas soluciones, los pilares pueden ser realizados con bloques que alojan la armadura, y las vigas pueden estar constituidas por bloques huecos. Además, para estructuras completamente prefabricadas o semiprefabricadas, se pueden adoptar diferentes configuraciones, garantizando buena flexibilidad de uso y costes limitados de producción y montaje.

1.2 Pórticos de acero

Las estructuras de pórticos de acero se utilizan para edificios civiles e industriales. En los pórticos longitudinales, los edificios civiles presentan estructuras verticales, mientras que los industriales tienen estructuras horizontales con arriostramientos longitudinales. Los edificios con pórticos longitudinales pueden incorporar arriostramientos verticales, internos o en fachada, para aumentar la rigidez flexional. Además, para edificios de gran altura en zonas sísmicas, se pueden diseñar soluciones donde los soportes verticales resisten solo a las cargas verticales y estructuras rígidas se ocupan de las fuerzas horizontales.

Las estructuras en carpintería metálica involucran el ensamblaje en obra de perfiles y laminados a través de tornillería o soldadura. Estas pueden ser de pared llena, de cajón o reticulares. Las conexiones viga-pilar pueden realizarse mediante diversas técnicas, como tornillería, soldadura o apoyos en ménsulas. Las estructuras con sistemas industrializados hacen la construcción más económica, permitiendo la prefabricación y la organización del transporte y del montaje.

1.3 Pórticos de madera

Las estructuras de pórticos de madera pueden realizarse con madera maciza o laminada encolada. Las luces de las vigas y el tamaño de las mallas estructurales varían según las necesidades, con soluciones en madera que ofrecen una flexibilidad de diseño y montaje.

Las conexiones entre vigas y pilares pueden realizarse mediante angulares, placas clavadas o soldadas, pernos o placas metálicas internas. La rigidización contra las acciones horizontales puede obtenerse a través de paneles de cerramiento, paneles de forjado o arriostramientos reticulares metálicos. Las estructuras de pórticos de madera pueden ser particularmente adecuadas para construcciones residenciales.

2. Comportamiento estático

En cuanto al comportamiento estático, en cambio, podemos tener las siguientes categorías.

2.1 Pórticos isostáticos

Los pórticos isostáticos son estructuras estáticamente determinadas, lo que significa que es posible resolver completamente todas las reacciones y las fuerzas internas utilizando las ecuaciones del equilibrio. Estos pórticos se caracterizan por un número suficiente de restricciones para garantizar la estabilidad y la determinación del sistema. Los ejemplos incluyen pórticos rectangulares y triangulares, donde las restricciones en las juntas aseguran una clara resolución de las fuerzas internas.

2.2 Pórticos hiperestáticos

Los pórticos hiperestáticos son estructuras estáticamente indeterminadas, lo que significa que el número de restricciones y reacciones restrictivas no es suficiente para resolver completamente todas las reacciones y las fuerzas internas. Estos pórticos requieren el uso de métodos más avanzados, como el método de las fuerzas o el método de las deformaciones, para obtener una solución. Los ejemplos incluyen pórticos con exceso de apoyos o vigas empotradas, que requieren un enfoque más sofisticado en la determinación de las fuerzas internas.

2.3 Pórticos con nudos fijos

Los pórticos con nudos fijos se caracterizan por juntas rígidas entre las vigas y los pilares. Esto significa que los nudos no pueden girar y que el marco puede resistir las deformaciones sin permitir desplazamientos significativos en las juntas. Estos pórticos se utilizan a menudo en situaciones donde se necesita una mayor rigidez y resistencia a la deformación.

2.4 Pórticos con nudos móviles

Los pórticos con nudos móviles se caracterizan por juntas flexibles entre las vigas y los pilares. Esto significa que los nudos pueden girar, permitiendo una mayor flexibilidad en el comportamiento estructural. Estos pórticos se utilizan a menudo en situaciones donde se requiere una mayor adaptabilidad a las deformaciones o para gestionar cargas variables.

Representación de un nudo de una estructura de pórticos en acero

Representación de un nudo de una estructura de pórticos en acero

Elementos que constituyen la estructura de pórticos: pilares y vigas

A continuación te indico información sobre las vigas y los pilares de diferentes materiales.

1. Pilares y vigas en C.A.

En la fase de diseño, cálculo y ejecución de pilares y vigas en hormigón armado, es fundamental respetar las normas de las leyes vigentes.

1.1 Los pilares

El pilar de hormigón armado, para simplificar el proceso constructivo, asume a menudo forma cuadrada o rectangular, raramente circular. La disposición de las barras de hierro longitudinales es fundamental y puede variar según las solicitaciones en el elemento. La morfología y la disposición de las barras están influenciadas por las condiciones de carga y restricción.

El armado longitudinal, colocado para resistir a las solicitaciones de tracción, está completado por un armado transversal constituido por estribos de pequeño diámetro para evitar dilataciones e inflexiones laterales.

Los pilares de los últimos pisos, con cargas reducidas, pueden tener dimensiones menores pero requieren un mayor porcentaje de hierro para resistir a solicitaciones como la presión del viento. Los nervios de los pilares interiores y perimetrales están diseñados para equilibrar las cargas en cada sección, garantizando una resultante baricéntrica.

Los pilares de hormigón armado pueden ser vertidos en obra o prefabricados en taller. Las barras y los estribos de los pilares prefabricados son generalmente de diámetro menor en comparación con los de los pilares vertidos en obra.

1.2 Las vigas

En cuanto a las vigas, estas aprovechan las características mecánicas del hormigón para resistir a solicitaciones de compresión, mientras que las barras de acero gestionan las acciones de tracción. Para luces de hasta 8-10 metros, se pueden utilizar vigas de hormigón armado de sección llena. Por otro lado, para luces superiores a 12 metros, se recomienda un doble sistema de vigas principales y secundarias. Para luces aún mayores, se puede recurrir a vigas de hormigón armado pretensado.

Para garantizar la seguridad en caso de incendio, el armado de acero de los pilares y las vigas debe estar adecuadamente recubierto con al menos 2 cm de hormigón, aumentado a 4 cm en ambientes agresivos.

La elección de las dimensiones óptimas de las vigas depende de varios factores, incluido la relación base/altura y la orientación de la viga apoyada, empotrada o en voladizo.

Estructura de pórticos en C.A. realizada con Edilus

Estructura de pórticos en C.A. realizada con Edilus

2. Pilares y vigas en acero

2.1 Los pilares

Los pilares de acero pueden asumir diversas formas, incluidos perfiles circulares, cuadrados o rectangulares, así como perfiles de tipo HE, caracterizados por una menor vulnerabilidad a los efectos de inestabilidad debido a la esbeltez. Alternativamente, es posible realizar un pilar combinando semielaborados que, a través de conexiones, constituyen elementos compuestos.

El tipo de conexión entre los elementos compuestos influye en el comportamiento estructural: el atornillado y el pernado requieren elementos móviles y perforaciones preventivas. Por otro lado, la soldadura, gracias a la fusión metálica, evita la necesidad de perforaciones, obteniendo así elementos monolíticos. Para el cálculo de las estructuras de acero puedes usar un software de diseño de conexión en acero.

Además, la capacidad portante de un pilar metálico está influenciada por su esbeltez, que a su vez guía la elección de la sección transversal. Los perfiles tubulares circulares ofrecen la máxima inercia a la flexión lateral, mientras que las secciones cuadradas muestran un buen comportamiento bajo cargas concentradas. Sin embargo, el uso de estos perfiles está limitado debido a las dificultades y costes asociados con el ensamblaje con otros elementos estructurales. Las secciones abiertas están sujetas a flexión y, para cargas críticas, también a torsión. Las secciones IPE y HE son las más comúnmente empleadas.

2.2 Las vigas

La viga de acero puede ser diseñada como una pared llena (con perfiles de sección simple o compuesta), de cajón o reticular. Los perfiles «doble T» son comúnmente utilizados como vigas portantes, mientras que otros tipos como «C», «L», «T», etc., se emplean para formar vigas compuestas o reticulares. La altura de la viga simple a «doble T» depende del momento flector actuante sobre la viga. En caso de altura excesiva de un solo perfil, es posible utilizar elementos gemelos espaciados y conectados separadamente al pilar o acoplados entre sí.

La conexión entre las diversas partes de un pilar compuesto de acero ocurre 40-50 cm por encima del plano de los forjados. Los dos troncos del pilar pueden tener la misma sección o secciones diferentes, y la conexión puede ocurrir mediante soldadura o atornillado.

La viga de alma llena se utiliza principalmente para cubrir grandes luces con cargas elevadas, como puentes de carretera y ferrocarril.

Las vigas reticulares, compuestas por elementos dispuestos según un retículo, son adecuadas para cubrir luces intermedias y se caracterizan por una alta resistencia y ductilidad. La elección entre vigas continuas o no continuas depende de las condiciones de las juntas. La conexión entre los componentes de la viga reticular puede realizarse con pernos o soldaduras.

La verificación de las vigas de acero incluye la verificación de las tensiones, deformaciones e inestabilidades locales.

Estructura de pórticos en acero realizada con Edilus

Estructura de pórticos en acero realizada con Edilus

3. Pilares y vigas en madera

3.1 Los pilares

Los pilares de madera, a menudo realizados con secciones en forma de T, I o mediante el acoplamiento de elementos, muestran una excelente resistencia tanto a la compresión como a la flexión. Sin embargo, los pilares excesivamente esbeltos y no adecuadamente vinculados en su longitud pueden estar sujetos a fenómenos de inestabilidad, con posible flexión lateral debido a cargas concentradas. Estos fenómenos pueden ser acentuados por la presencia de nudos, desviaciones de las fibras de la madera, baja rigidez del material o cargas excéntricas.

3.2 Las vigas

Las vigas de madera simple pueden presentar formas troncocónicas o rectangulares, según el perfil de la madera.

Los pilares y vigas de madera laminada están compuestos por capas sucesivas de tiras de madera seleccionadas y pegadas entre sí (láminas). Estos elementos tienen una resistencia mecánica elevada, son resistentes a las variaciones higro-térmicas y muestran poca vulnerabilidad a los ataques de parásitos y al fuego.

A través del uso de madera laminada encolada o nuevos materiales compuestos, es posible conferir a las vigas formas diferentes, como vigas de sección cónica, angular, curva longitudinalmente o reticular, según las especificaciones estructurales.

El criterio de dimensionamiento para una viga de madera maciza será diferente al de una viga de madera laminada, ya que la elección del material influye en el comportamiento, caracterizado por diferentes elasticidades y deformabilidades de las diversas partes.

Estructura de pórticos en madera realizada con Edilus

Estructura de pórticos en madera realizada con Edilus

¿Cómo diseñar una estructura de pórticos?

A continuación, te muestro un video demostrativo que te permite entender cómo operar con un software para el diseño estructural en el modelado y cálculo de la estructura de pórticos.

edilus
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