DISEÑO ESTRUCTURAL Y SISTEMA DE CARGAS Clase No. 3 PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO • El diseño estructural es un proceso individual donde el ingeniero y el arquitecto planifican de conjunto el arreglo de espacios, vanos, accesos, altura de pisos, tamaño de los elementos, economía, resistencia adecuada y mantenimiento. En el proceso de diseño se deben contemplar tres importantes fases: 1. Definición de las prioridades: prioridades: Una estructura es construida para llenar alguna necesidad. Los propietarios y el usuario deben estar al tanto de los atributos propuestos para la edificación como los requerimientos de funcionalidad, requerimientos estéticos y economía. 2. Desarrollo del concepto del proyecto: proyecto: De acuerdo a las necesidades del proyecto los primeros bosquejos o anteproyecto. El primer prediseño de todas las áreas de la ingeniería civil envueltas en el proyecto debe ser trabajado. 3. Diseño final de los sistemas: sistemas: Una vez el concepto general ha sido desarrollado, el sistema estructural definitivo puede ser calculado, con todos los elementos proporcionados para resistir las cargas, los dibujos definitivos y la posibilidad de que la construcción pueda hacerse por métodos constructivos adecuados. ESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURA • Cuando una estructura o elemento estructural se convierte en inadecuada para su uso, se dice que ha alcanzado su estado límite. Los estados límites de diseño comúnmente usados son: 1. Estado límite de servicio: servicio: Cuando se interrumpe el servicio de la estructura. Presenta poca probabilidad de ocurrencia. Son criterios que gobiernan el uso normal y la durabilidad. Se puede llegar al mismo por medio de: a) Deformaciones excesivas para el uso normal de la estructura, que conlleven a fisuras prematuras y excesivas. Puede ser visualmente inaceptable y puede causar daños en elementos no estructurales. Desplazamientos excesivos aunque no impliquen pérdida de equilibrio. Daños locales como corrosión y ataque químico a la estructura producido por ambientes agresivos. Vibraciones excesivas producidas por elementos móviles o cargas cíclicas. Daño local evitable con la construcción de juntas de expansión y control o con la disposición adecuada del refuerzo. b) c) d) e) ESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURA 2. Estado límite de resistencia o estado límite último: último: Incluye el colapso de la estructura. Presenta muy poca probabilidad de que ocurra. Corresponden a la máxima capacidad portante. Se puede llegar a este estado cuando: a) Las fuerzas mayoradas sean mayores que la resistencia de diseño de la estructura. Perdida de equilibrio en algún sector o toda la estructura debido a la degradación en la resistencia y rotura de algunos o la gran mayoría de los elementos, lo que puede conducir al colapso de la estructura. En algunos casos un problema local menor puede afectar elementos adyacentes y estos a su vez afectar sectores de la estructura que determinen el colapso parcial o total. Transformación de la estructura en un mecanismo y la consiguiente inestabilidad que conlleve a cambios geométricos incompatibles con las hipótesis iniciales de diseño. Falta de integridad debido a la ausencia de amarres adecuados entre los diferentes elementos que conforman la estructura. Fatiga en la estructura y fractura en elementos debido a ciclos repetitivos de esfuerzos por cargas de servicio. b) c) d) e) ESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURA 3. Estados especiales de carga carga:: Donde el daño y colapso de la estructura se incluyen simultáneamente. Se puede llegar a estados límites especiales cuando hay daños o falla debido a condiciones anormales de carga, tales como: a) b) Daño o colapso en sismos extremos. Daños estructurales debido al fuego, explosiones o colisiones vehiculares. c) Efectos estructurales de la corrosión y deterioro. PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO 1. Método de los Esfuerzos de Trabajo. Usa esfuerzos admisibles, por lo general con un factor de seguridad entre 1.8 y 2.2. El esfuerzo último del concreto se multiplica por un factor que puede ser menor o igual 0.45 para obtener el esfuerzo admisible de diseño, mientras que el esfuerzo de fluencia en el acero se multiplica por un factor recomendado menor o igual a 0.55 para obtener el esfuerzo admisible del acero. Bajo tales circunstancias, el factor de seguridad para el hormigón es mayor o igual a 2.2 y el del acero mayor o igual a 1.8. En este método las cargas de diseño no se mayoran y presenta la inhabilidad para considerar variaciones por tipo e intensidad de carga, así como variaciones en la resistencia de los materiales. 2.. Método de la Resistencia. Resistencia. Usa factores independientes para cada carga y factores para la resistencia nominal del elemento. Se debe diseñar de acuerdo al Estado Límite Último, pero chequear con el Estado Límite de Servicio. Dentro de sus beneficios se cuenta que considera la variabilidad en las cargas y la resistencia de los materiales. CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO A LA ACCION SOBRE LA ESTRUCTURA • El termino CARGA se refiere a la acción directa de una fuerza o un conjunto de fuerzas actuando sobre un elemento estructural. Se miden en unidades de fuerza (kg o T), en unidades de fuerza/longitud (kg/m o T/m) y en unidades de fuerza/superficie (kg/m2 o T/m2). • • • • TIPOS DE CARGAS ESTRUCTURALES: Cargas permanentes Cargas vivas o de uso Cargas debidas a la influencia del medio ambiente Cargas accidentales CARGAS PERMANENTES Las cargas permanentes actúan con una magnitud constante y una posición fija durante todo la vida útil de la estructura. Se clasifican en: 1. Cargas muertas o gravitatorias: Corresponden al peso propio de los elementos estructurales y además, los elementos no estructurales unidos a la estructura, tales como: vigas cielos rasos columnas rellenos en pisos dinteles acabados en general losas otros muros ventanas plomería inst. eléctricas y sanitarias CARGAS PERMANENTES 2. Cargas por empujes: Los empujes de suelos o agua en las paredes de los sótanos o los muros de contención de suelos en zonas de grandes desniveles. CARGAS VIVAS O DE USO • Son cargas no permanentes producidas por materiales o artículos, e inclusive por las personas en constante movimiento. Son producidas por el uso y ocupación de la movimiento edificación. • Pueden estar aplicadas total o parcialmente o no estar presentes y también es posible cambiarlas de ubicación. • Son cargas variables en magnitud y posición, por ejemplo: personal mobiliario empujes de cargas o almacenes CARGAS VIVAS O DE USO • Usualmente estas cargas incluyen un margen para tener una protección contra deformaciones excesivas o sobrecargas repentinas. • Estas cargas están tabuladas en códigos locales, estatales o nacionales. Ademas de las cargas uniformes, algunos códigos nacionales especifican cargas vivas concentradas mínimas mínimas, causadas por carretillas, automóviles, etc. • Para simplificar los cálculos las cargas vivas son expresadas como cargas uniformes aplicadas sobre el área de la edificación. Ej.: Vivienda Hoteles Escuelas Garajes Escaleras 180kg/m2 200kg/m2 200kg/m2 250kg/m2 300kg/m2 Oficinas 200kg/m2 Bibliotecas 200-500kg/m2 Estadios 400-500kg/m2 Almacenes 350-500kg/m2 Hospitales 200-400kg/m2 CARGAS DEBIDAS A LA INFLUENCIA DEL MEDIO AMBIENTE A este grupo de cargas pertenecen las siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. Cargas de viento Cargas de sismos Cargas producidas por oleajes (no tsunamis) Cargas térmicas Cargas por efecto de la nieve CARGAS DE VIENTO El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad y velocidad del aire, del ángulo de incidencia del viento, de la forma y de la rigidez de la estructura y de la rugosidad de la superficie terrestre. Son cargas dinámicas pero se hacen aproximaciones usando cargas estáticas equivalentes. Se verifica por la acción de este sobre las superficies edificadas, que se traduce en una fuerza de empuje o succión, con escasa importancia en las construcciones bajas, importantes en las altas y muy importantes en las estructuras de bajo peso frente a su superficie expuesta. Eventos climáticos mas importantes con relación al viento: HURACANES Y TORNADOS TORNADOS.. CARGAS DE VIENTO TORNADO FUERZA DE LOS VIENTOS EN UN HURACAN Efectos del paso de un huracán Pérdida de la estabilidad estructural ante el paso de un huracán CARGAS DE SISMOS Son cargas dinámicas que también pueden ser aproximadas a cargas estáticas equivalentes. Los sismos originan aceleraciones transmitidas por el terreno que al actuar sobre la masa se traducen en fuerzas. A mayor masa, mayor fuerza. La acción del sismo puede tener cualquier dirección y provoca empujes (cargas) verticales y horizontales, pero en la practica se considera la mas desfavorable que es la horizontal. CARGAS DE SISMOS PERDIDA DE LA ESTABILIDAD ESTRUCTURAL A CAUSA DE UN SISMO Consecuencias del reciente sismo en Chile Consecuencias del terremoto de Haití. Palacio de Gobierno. CARGAS PRODUCIDAS POR OLEAJES De gran importancia en regiones costeras. Son también cargas dinámicas, pero su frecuencia es mas posible de determinar. No se tienen en cuenta eventos tales como tsunamis. Malecones, puentes, espigones portuarios, plataformas petroleras, entre otras edificaciones tienen que tener en cuenta la posibilidad de acción de este tipo de cargas. Fuerza de las olas sobre el Malecón de La Habana Olas sobre el Castillo del Morro, La Habana Penetración del mar, Malecón de La Habana CARGAS TERMICAS Todas las estructuras están sometidas a cambios de temperatura y varían de forma y dimensiones durante el ciclo de temperaturas diurnas y nocturnas como en los ciclos de invierno y verano. No se consideran en este acápite las cargas producidas por incendios internos o externos a la estructura Si no se permite que la estructura se dilate o se contraiga sin problemas, se introducirán cargas adicionales que perjudicaran el comportamiento de la misma. Muchos códigos o reglamentos para el calculo de estructuras norman las dimensiones máximas de las edificaciones en cuanto a su dilatación, sobre todo en latitudes como la nuestra, donde la radiación solar es alta durante casi todo el año. En edificaciones de muros de fabrica (bloques de mortero o ladrillos de cerámica) esta longitud no debe sobrepasar los 30-35m. En estructuras prefabricadas de hormigón armado esta longitud alcanza los 72m. Constructivamente, el resultado mas importante de considerar las cargas térmicas son las llamadas juntas de dilatación. dilatación. CARGAS TERMICAS PERDIDA DE LA ESTABILIDAD ESTRUCTURAL POR FALTA DE JUNTA DE DILATACION SOLUCION DE JUNA DE DILATACION SOLUCION DE JUNTA DE DILATACION CARGAS POR EFECTO DE LA NIEVE Aunque en nuestra latitud no ocurren estos fenómenos, son de una tremenda importancia en aquellos países donde estos fenómenos naturales ocurren ocurren.. Su acumulación origina cargas importantes sobre los techos y por consecuencia en la cimentación. La inclinación exagerada de los techos en estas regiones ocurre para reducir la nieve acumulada y con ello la carga. CARGAS ACCIDENTALES Dentro de este grupo de cargas se encuentran las que pudiesen actuar en algún momento sobre la estructura de la edificación sin haber sido prevista, pero que dicha estructura debe ser capaz de asimilar para no perder su estabilidad. En algunos casos esto se torna imposible. Algunos ejemplos: 1. Impactos Choques producidos por vehículos, impactos de medios de fuego, explosiones internas y externas, etc. 2. Incendios Fuegos intencionales o no internos y externos. Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. 3. Otras CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO A LA FORMA DE DISTRIBUCION 1. DISTRIBUIDAS SUPERFICIALES LINEALES 2. CONCENTRADAS CARGAS DISTRIBUIDAS 1. SUPERFICIALES Es una carga que esta repartida en una superficie cuyo valor se expresa en unidades de fuerza sobre unidades de superficie. Representa la mayor parte de las cargas de un edificio, varia de 10kg/m2 en una cubierta liviana, hasta los 5T/m2 en el piso de un deposito, pasando por los 180kg/m2 del entrepiso de una casa o los 1300kg/m2 del piso de un edificio importante. Es la que se considera para dimensionar las losas CARGAS DISTRIBUIDAS 2. LINEALES Es la carga que esta repartida sobre una línea, generalmente la origina una superficie (losa) contigua que se apoya en esa línea (viga). Se expresa en kg/m o T/m. Es la que se considera para el calculo de vigas CARGAS CONCENTRADAS Son aquellas a las que se considera concentradas en un punto infinitesimal, algo realmente imposible en la practica. En realidad, son cargas con un valor de concentración muy alto sobre un sector muy pequeño, en comparación con las descritas en el punto anterior CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO AL TIEMPO DE APLICACION 1. ESTATICAS Se llaman así a las que son aplicadas lentamente y accionan por un periodo prolongado. La mayoría de las cargas con las que se dimensiona en Arquitectura son de este tipo. 2. DINAMICAS Son las que su acción varia rápidamente en el tiempo. Si esta acción fuese unitaria se consideraría como carga de impacto, en caso de hacer ciclos a intervalos regulares, como en los casos de: compresores, vientos, sismos. No pueden ser manejadas por la estática, sino con métodos aproximados, luego de un cuidadoso análisis del caso.
