Arriostramientos. Tipología y comparativa con FEM

Este artículo, como bien dice su nombre, va a tratar de arriostramientos. El objetivo final es el de comparar mediante modelos de elementos finitos la efectividad de cada uno.

Fuente: http://aceroarenas.blogspot.com.es/2012/02/contraventeos-cruz-de-san-andres.html

Vamos a comenzar dando una sencilla definición:

Arriostramiento es el elemento estructural que sirve para arriostrar, es decir, para rigidizar o estabilizar la estructura impidiendo o limitando parcialmente los desplazamientos/deformaciones de la misma.

Existen varias tipologías de arriostramientos: X (cruz de San Andrés), K, V invertida y otras variantes de los mismos.

Para comprobar su efectividad vamos a recurrir a arriostrar la siguiente estructura en el último vano y a comparar/ comentar las posibles ventajas/diferencias de cada uno al igual que las variaciones en los desplazamientos.

La estructura se encuentra cargada con 10kN/m simulando una carga lateral,  cuenta con pilares HEB200, vigas longitudinales IPE160 y todas las tipologías de arriostramientos van a estar modelados con HEB100. Se trata de un ejemplo puramente académico para comparar la efectividad de los arriostramientos, no pretende ser una estructura real.

Comenzamos viendo desplazamientos de la estructura sin arriostrar. Como podemos ver, se trata de 2.2 metros de desplazamiento en la parte superior de la estructura. Inicialmente, este desplazamiento sería inadmisible.

Y ratio al que están trabajando las barras a flexión comprobadas con el EC-3. De nuevo, en la siguiente figura,  vemos que en la base se superan los momentos máximos admitidos por los perfiles usados.

Es interesante comprobar también como se transmiten los esfuerzos por compresión en la estructura, por lo que mostramos como se produce esta transmisión en la configuración inicial (vemos una estructura tendiendo a volcar, con tracciones en los pilares izquierdos y compresiones en el derecho.

Arriostramos con cruz de San Andrés

Si repetimos el mismo análisis realizado para la estructura sin arriostrar pero esta ver con arriostramientos en cruz de San Andrés vemos una mejora increíble.

Empezamos viendo que ahora el máximo desplazamiento no se da en el dintel de arriba, si no en la zona local de aplicación de las cargas.

El desplazamiento máximo en la parte superior de la estructura es de 8mm, es decir del orden del 1% del desplazamiento de la estructura sin arriostrar y tan solo añadiendo unos pocos kilos de acero a la estructura que podríamos reducir, incluso duplicar la reducción, bajando los perfiles.

Analizamos los ratios para ver cómo han variado para buscar esta posible reducción de perfiles. Vemos que salvo la zona local de aplicación de cargas, los pilares han bajado de ratios 1.2 y 0.8 a ratios de 0.1, es decir, los pilares ya no trabajan a flexión.

En cambio así es como nuestra estructura arriostrada funciona a compresión. Vemos una estructura con una transmisión totalmente horizontal de esfuerzos hasta que los hacemos descender por los arriostramientos. Ahora ya no hay tracciones en los pilares de la izquierda, pero en cambio hemos sacrificado los pilares de la derecha. Habrá que tener cuidado con posibles pandeos.

Muestro una comparación de los axiles en ambos modelos que creo que es muy interesante:

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Como he mencionado, las compresiones llegan a multiplicarse por 5.

Arriostramos en V invertida

Como ha ocurrido con el arriostramiento en X, los máximos desplazamientos en la estructura se dan localmente en el pilar de aplicación de la carga.

Vamos a obviar esa zona y vemos el resto de la estructura. En la siguiente imagen hemos cambiado la escala para ver los desplazamientos en la estructura con un poco más de detalle. En el dintel superior ahora tiene un desplazamiento de 13mm, 5mm más que con el arriostramiento en X. No es muy grande la diferencia pero ya podría hacer que nuestra estructura no valiese por desplome de pilares.

Lo que sí que vemos es un aumento considerable en los momentos de las vigas donde acomete el pico de la V invertida de los arriostramientos. El signo de los momentos ha cambiado de positivo a negativo y el ratio (momento actuante) se ha duplicado. Vemos que aunque los momentos en los pilares han subido un poco (estructura menos rígida lo que obliga a los pilares a trabajar un poco más en ménsula) siguen sin ser notables, al igual que pasaba con la tipología en “X”.

En cuanto a compresiones/tracciones, nos fijamos en como viajan las compresiones y analizamos el cambio.

Sin embargo el comportamiento en cuanto a axiles en totalmente distinto. Los pilares se descargan notablemente (de 165kN a 96kN) mientras que son los arriostramientos los que cogen ahora la carga mayor de compresión.

Arriostramos en tela de araña

También se puede dar el caso en el que las longitudes para el arriostramiento en V sean muy largas y  que por motivos geométricos (una puerta) necesites realizar un arriostramiento con una geometría distinta que permita salvar los impedimentos. Este es el caso del arriostramiento en tela de araña (se le conoce con varios nombres, este es uno de ellos).

Analizando de nuevo los desplazamientos y obviando aquellos desplazamientos producidos localmente en la zona de aplicación de las cargas, podemos ver que la zona más afectada es la viga superior, con un desplazamiento de 12mm.

Tenemos un desplazamiento un poco menor que el arriostramiento en V invertida, ya que hemos bajado de 13mm a 12mm.

En cuanto a los ratios de las vigas a flexión según el EC-3, no se aprecia una diferencia notable, ambos de comportan de forma semejante. Lo que nos permite esta tipología es realizar algún giro más si la geometría nos obligase a ello.

En cuanto axiles, tampoco podemos apreciar especial diferencia ya que la forma de transmitir esfuerzos parece semejante a la V invertida.

Conclusiones

-          Arriostrar una estructura nos permite, como hemos visto reducir enormemente los desplazamientos de la misma a la vez que nos permite ahorro de material

-          Una estructura arriostrada hace que los pilares dejen de trabajar como ménsulas, ya que al existir unos elementos triangulados más rígidos hacen que estos trabajen a tracción/compresión transmitiendo de esta manera los esfuerzos a la cimentación en vez de por flexión como hacían los pilares

-          Hemos visto que los arriostramientos en X son los que más rigidizan la estructura, mostrando un comportamiento más lógico y uniforme de la estructura

-          Hemos comprobado que otros tipos como la V invertida dan resultados buenos aunque puede penalizar la viga donde se apoya la V del arriostramiento

-          Cuando Los arriostramientos son muy largos, podemos partir las luces mediante triangulaciones usando los arriostramientos en forma de tela de araña. Nos permite adaptarnos, al igual que los de V, a geometrías distintas en las que por ejemplo, necesitemos salvar una puerta en medio del vano.

-          Es importante resaltar que esto es un ejercicio meramente teórico en el que se estudia una configuración del edificio. Jugando con perfilería y en función de las cargas, podríamos obtener otros resultados

Antes de terminar me gustaría que os animaseis a dejar vuestras opiniones profesionales en la zona de comentarios, valorando que arriostramientos trabajar mejor. Si queréis que añada alguna parte al artículo con algún calculo/tipología que hayáis calculado, contactad con Prontubeam@gmail.com y la añado.

Quiero terminar con una imagen que he encontrado en las redes sociales sobre las esperas metálicas preparadas para realizar una unión que aparentemente va a ir bien arriostrada

Escrito por Carlos Corral. Autor de Prontubeam. www.Prontubeam.com