Los marcos rígidos
Muy empleado en edificios de hasta 20 pisos por su eficiencia en construcciones de pocos niveles. A mayor altura la estructura aporticada se hace inestable.
Los marcos rígidos son estructuras de pórticos cuyos elementos se unen entre si por medio de conexiones fijas capaces de trasmitir los momentos y fuerzas normales y tangenciales, sin que se produzcan desplazamientos lineales o angulares entre sus extremos y las columnas en que se apoya, lo que hace que la estructura resultante pueda resistir por sí sola las cargas verticales y horizontales a las que se haya sometida, sin el requisito de ningún otro tipo de elementos.
Ver tambien: nudos.
Generalmente construidos en acero u hormigón (o concreto armado), materiales comunes y fáciles de conseguir, los marcos rígidos son de rápida elaboración y tienen una resistencia relativamente alta en comparación con otros tipos de estructuras, alcanzando claros de hasta 90 metros empleando las secciones de vigas apropiadas. Así mismo permiten optimizar el rendimiento del espacio disponible, puesto que el empleo de la típica retícula de diseño regular, cuadrada o rectangular, es fácil de trabajar y dimensionar bajo el esquema ortogonal de los sistemas aporticados mas comunes.
Elementos de un marco rígido
Los marcos rígidos están compuestos por pórticos de columnas y vigas (trabes) de secciones y forma variables con sus correspondientes conexiones.
- Las columnas: son los elementos verticales que reciben las cargas de las vigas y de los tramos de columnas que se encuentras sobre ellas y las transmiten al suelo o a las columnas inferiores.
- Las vigas o trabes: son elementos horizontales de poca o ninguna inclinación que reciben directamente las cargas permanentes o relativas al uso de la construcción y las transfieren a las columnas. Un sistema de nervios, trabes o vigas secundarias habitualmente se ocupa de transmitir las cargas del piso hacía las vigas principales.
- Las conexiones o juntas: son las uniones entre los distintos elementos que componen la estructura, también son llamadas nudos, juntas o nodos, tienen la función de transferir los momentos flexionantes y fuerzas cortantes y normales, de las vigas a las columnas y viceversa
Funcionamiento de los marcos
En el sistema de marcos rígidos la unión fija de la columna y la viga hace que ambos elementos trabajen en el soporte de las cargas, tanto horizontales como verticales, dándoles en su conjunto una mayor resistencia, pero sobre todo mucha mas rigidez, que en este caso se mide como la capacidad de contrarrestar los desplazamientos horizontales. Es por esto que estas uniones fijas son los elementos que definen el comportamiento de este sistema.
Cuando los marcos forman estructuras de varios pisos las columnas inferiores soportan las suma de todas las cargas que se transmiten al suelo, que son principalmente verticales. En planta, las columnas que están en el interior del conjunto son las que están sometidas a mayores exigencias, mientras las localizadas hacia la periferia aproximadamente la mitad. De cualquier modo, el comportamiento preciso de los elementos puede ser determinado a través de diferentes métodos de cálculo.
Métodos de análisis
Existen diversos métodos para el análisis clásico de estructuras aporticadas, como el método de las fuerzas o de las flexibilidades; los métodos de ángulos de giro y el de la distribución de momentos de Cross. Este último fue por mucho el más difundido a todo los largo del siglo XX, y aún es utilizado ampliamente junto a las formulaciones matriciales de rigidez en el software de computadoras especializado en el cálculo de sistemas aporticados.
Fallas parciales y totales
En las estructuras de marcos rígidos las fallas parciales están generalmente asociadas a algún tipo de inestabilidad luego de que se agota la resistencia de alguno de sus elementos. En el caso de una viga, por pandeo lateral, flexotorsión, o por la aparición de un mecanismo de articulaciones plásticas. En una columna por la formación de articulaciones plásticas u otra inestabilidad.
Una particularidad de este sistema es que una falla parcial no suele producir el colapso total de la estructura, en particular si ocurre en cualquiera de los elementos verticales y la edificación es de poca altura, incluso aunque pueda tener consecuencias graves.
Usos del sistema de marco rígido
Ideal para estructuras fijas como edificaciones y puentes, el sistema aporticado de vigas y columnas de marcos rígidos es el tipo de estructura mas utilizado en la construcción de edificios de hasta 20 pisos, lo que equivale a unos sesenta metros de altura. También es ampliamente empleado para la construcción de hangares, bodegas y naves industriales por las ventajas que ofrece la poca sección de los elementos estructurales, así como las zonas libres posibles y la rigidez y resistencia alcanzadas.
Los pórticos son un sistema ideal para emplear con estructuras de perfiles metálicos (como en la foto), pero también con concreto armado. En edificios de varios pisos se emplean frecuentemente marcos en dos direcciones, casi siempre ortogonales.
Programas: software como PowerConect de BuildSoft permite diseñar y calcular uniones de estructuras metálicas de marcos de forma fácil e interactiva.
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