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. Estos arriostramientos se usan generalmente en estructuras metálicas.
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:
<>
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.
Elemento |
Arriost. en X (kN) |
Arriost. en V (kN) |
Arriostramiento 1 nivel |
100 |
153 |
Arriostramiento 2 nivel |
50 |
94 |
Pilar 1 nivel |
165 |
96 |
Pilar 2 nivel |
50 |
9.5 |
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 [email protected] 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