MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES CAP. C.1.2 ACCIONES SECCIÓN C: ESTRUCTURAS TEMA 1: CRITERIOS GENERALES DE ANÁLISIS Y DISEÑO MÉXICO 2017 2017, COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD RÍO RÓDANO NÚM. 14, COL. CUAUHTÉMOC MÉXICO D. F. C. P. 06598 Dr. Jaime Francisco Hernández Martínez Dr. Enrique Luis Graue Wiechers Rector Director General Dr. Leonardo Lomelí Vanegas M.I. Jorge Araujo Balderas Secretario General Director Corporativo de Ingeniería y Proyectos de Infraestructura Ing. Leopoldo Silva Gutiérrez Secretario Administrativo Ing. César Fernando Fuentes Estrada Subdirector de Proyectos y Construcción Dra. Mónica González Contró Ing. Javier Ángel García de la Merced Dr. William Henry Lee Alardín Abogada General Coordinador de la Investigación Científica Coordinador de Proyectos Hidroeléctricos Dr. Luis Agustín Álvarez - Icaza Longoria Director del Instituto de Ingeniería Ing. Marco Antonio Ocampo Sánchez Coordinador de Proyectos Termoeléctricos Ing. Federico Guillermo Ibarra Romo Coordinador de Proyectos de Transmisión y Transformación Ing. Gustavo Arvizu Lara Gerente de Estudios de Ingeniería Civil Dr. Efraín Ovando Shelley Subdirector de Estructuras y Geotecnia SECCIÓN: C. ESTRUCTURAS TEMA: 1. CRITERIOS GENERALES DE ANÁLISIS Y DISEÑO CAPÍTULO: 2. ACCIONES Han participado en este capítulo ELABORACIÓN Dr. Luis Esteva Maraboto2 REVISIÓN Ing. Carlos Abad Martínez1 M.C. Federico Hach Gómez Llanos1 Dr. Manuel J. Mendoza López1 M.I. Martín Sánchez Muñoz1 COORDINACIÓN Dr. Manuel J. Mendoza López2 M.I. Jaime E. Camargo Hernández1 En la realización de este capítulo del MDOC‐CFE, colaboraron personal técnico de la Comisión Federal de Electricidad y personal académico del Instituto de Ingeniería–UNAM2. AGRADECIMIENTOS La Comisión Federal de Electricidad y el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México reconocen de manera especial su valioso apoyo y gestión en la reedición de esta obra al Dr. Adalberto Noyola Robles y al Dr. Humberto J. F. Marengo Mogollón. Así mismo, agradecen la colaboración en el desarrollo de este capítulo a: M.I. Tomás G. Sánchez Reyes Ing. Diego A. González Martín Ing. Daniel García Rodríguez Ing. Alfredo Luna González M.I. Lázaro Aguilar Moreno SECCIÓN C. ESTRUCTURAS TEMA 1. CRITERIOS GENERALES DE ANÁLISIS Y DISEÑO CAPÍTULO 2. ACCIONES CONTENIDO Prólogo ix Presentación xi Simbología xiii 1. INTRODUCCIÓ INTRODUCCIÓN N 1 2. 2.1 TIPOAcciones DE ACCIONES SEGÚN SU DURACIÓN permanentes 2.2 Acciones variables 2.3 Acciones accidentales 3 3 3 4 3. VALORES DE DISEÑO 3.1 Valores nominales 3.2 Valores de diseño 5 5 6 4. COMBINACIONES DE ACCIONES PARA DISEÑO Y FACTORES DE CARGA 9 5. EVALUACIÓN DE ACCIONES PERMANENTES 5.1 Carga muerta 5.2 Empuje de tierra 5.3 Empuje estático de líquidos 11 11 14 15 5.3.1 Líquidos con superficie libre 5.3.2 Líquidos a presión 16 16 5.4 Empuje estático de material granular 16 5.4.1 Valores nominales de pesos volumétricos y ángulos de fricción 5.4.2 Efectos dinámicos de vaciado en silos o estructuras similares 6. EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES 6.1 Cargas vivas 6.2 Deformaciones impuestas 6.2.1 Hundimientos diferenciales 6.2.2 Deformaciones producidas por cambios de temperatura 6.2.3 Efectos de contracción por fraguado 6.3 Acciones dinámicas debidas a maquinaria y equipo 16 16 19 19 24 24 26 28 30 6.3.1 Vibración de maquinaria 31 6.3.2 Evaluación de acciones de diseño 6.3.3 Acciones dinámicas en turbogeneradores 6.3.4 Protección de las estructuras contra vibraciones 31 33 37 C.1.2 ACCIONES CONTENIDO 7. EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES 7.1 Sismo 7.2 Viento 7.3 Lluvia 7.3.1 Cargas de lluvia 41 41 41 41 41 7.4 Nieve y granizo 41 7.4.1 Depósitos Cargas de acumulados nieve y granizo 7.4.2 sobre cubiertas inferiores (sombra aerodinámica) 7.4.3 Otras condiciones de carga 7.5 Efectos de inundación 41 50 51 53 7.5.1 Consideraciones generales y definiciones 7.5.2 Requisitos de diseño 7.5.3 Cargas durante inundaciones 7.6 Otras acciones accidentales 53 54 55 59 8. OTRAS ACCIONES 61 9. PRUEBAS DE CARGA 63 REFERENCIAS 65 CONTENIDO GENERAL DEL MANUAL Secciones de Hidrotecnia, Geotecnia y Estructuras 67 viii PRÓLOGO Hoy la Comisión Federal de Electricidad atraviesa por un momento histórico. Con la reforma energética, promulgada en el año de 2014, la CFE se transformará en una empresa productiva Estado. internos Para estar la altura de la CFE deberá implementar grandesdelcambios quea cumplan un este dobledesafío, objetivo: hacer más eficiente a la Comisión y, al mismo tiempo, asegurar que cuente con las herramientas y los recursos para modernizarse, a fin de seguir contribuyendo al desarrollo del país. El fortalecimiento de la CFE es fundamental para seguir garantizando el abasto de energía a precios competitivos. Este esfuerzo pasa, sin duda, por la promoción de la inversión pública y privada para el desarrollo de infraestructura, la generación de incentivos para la innovación y el desarrollo tecnológico, y la formación de capital humano especializado. En esta coyuntura de importantes retos para el Sector Eléctrico Nacional, pero también de grandes oportunidades, se inscribe la presente obra. El Manual de Diseño de Obras Civiles contribuye al cumplimiento de las ambiciosas metas planteadas por la reforma y por el Programa Nacional de Infraestructura 2014-2018, que buscan impulsar no sólo el desarrollo de más y mejor infraestructura, sino también la formación de cuadros técnicos altamente capacitados en el diseño y construcción de estos proyectos. Así, esta nueva edición del Manual elaborado por la CFE y la Universidad Nacional Autónoma de México provee los lineamientos de diseño de todas las obras de ingeniería civil, y lo hace incorporando los avances tecnológicos y la experiencia técnica acumulada por la ingeniería mexicana desde 1983, año en que se editó el último manual. Sin duda, esta obra, que conjunta elementos teóricos y prácticos de la ingeniería en los campos de la Hidrotecnia, Geotecnia y Estructuras, constituye una referencia técnica obligada no sólo para los ingenieros de la CFE, sino para todos aquellos encargados de construir obras de ingeniería civil en PEMEX y dependencias del sector público federal y local. Al igual que su predecesor, este manual único en su tipo será de gran ayuda técnica para los ingenieros de toda América Latina. Quiero destacar que con el Manual de Diseño de Obras Civiles, la CFE refrenda su compromiso con la formación de nuevos cuadros de ingeniería. En efecto, esta publicación está pensada para ser consultada y utilizada en las aulas por nuestros estudiantes de ingeniería, no sólo en el ramo civil, sino en diversas disciplinas. Reconozco a quienes participaron en la elaboración de esta importante obra que, sin duda, habrá de permitir que la CFE avance en su objetivo de consolidarse como una empresa cada vez más competitiva y eficiente, que genere de manera estable y a menores costos la energía eléctrica que México requiere para su desarrollo. Dr. Jaime Francisco Hernández Martínez PRESENTACIÓN Para la Comisión Federal de Electricidad (CFE) es de la mayor importancia mantener y mejorar el nivel de la ingeniería con que desarrolla cada una de sus obras. Con este enfoque, la Comisión publicó por primera vez el Manual de Diseño de Obras Civiles en 1969 y en un proceso de mejora continua, la CFE produjo su revisión en 1983. La presente edición actualiza las versiones previas e incorpora capítulos nuevos, con una visión en la que se incluyen los múltiples avances tecnológicos alcanzados en las últimas décadas. El signo de cambio desde 1983 está asociado al uso de las computadoras en la vida cotidiana. Así, sin menoscabo de la exposición de los conocimientos invariantes y los métodos de diseño convencionales, en la presente versión del Manual se incluyen los procedimientos basados en los métodos numéricos computacionales, discutiendo sus capacidades y limitaciones. El Manual actual constituye una herramienta de utilidad para quienes se dedican al diseño de las estructuras civiles que forman parte de una central de generación eléctrica, o de un sistema de distribución eléctrica. Si bien este Manual sirve fundamentalmente para este fin como una ayuda práctica para los ingenieros de CFE, se considera que, en general, también será útil para los ingenieros civiles que ejercen su profesión en otros campos. Adicionalmente, en la elaboración del Manual se ha procurado que cumpla con una misión didáctica, al constituirse en un documento auxiliar para que el estudiante de ingeniería se familiarice con los temas que desarrollará en su vida profesional. El Manual se divide en tres Secciones, A: Hidrotecnia, B: Geotecnia y C: Estructuras; a su vez, cada Sección se subdivide en Temas y Capítulos que aparecen listados al final de esta entrega. Se ha organizado en fascículos o capítulos separados, con un formato que permite consultas fáciles y dinámicas; cada capítulo consta de Recomendaciones, Comentarios y Ayudas de diseño (Ejemplos). Los aspectos teóricos y los métodos de diseño referentes a cierto tópico, junto con la discusión de sus aplicaciones, constituyen las Recomendaciones que proporcionan los elementos de información que junto con el buen juicio del responsable de un proyecto, permiten una solución conveniente ingenierilmente. En la nueva versión del Manual se han incluido los Comentarios dentro de la exposición de las Recomendaciones, distinguiéndolos simplemente con una tipografía diferente, con objeto de redondear una presentación en el justo lugar donde se precisan. Los ejemplos que se presentan en las Ayudas de diseño, coadyuvan a la comprensión de lo expuesto en las Recomendaciones. El Manual fue elaborado por académicos del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, en colaboración con ingenieros de la Subdirección de Proyectos y Construcción a la que pertenecen especialistas de las Coordinaciones de Proyectos Hidroeléctricos, Proyectos Termoeléctricos, Líneas de Transmisión y Transformación, y la Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil de la Comisión Federal de El Electricidad. ectricidad. Es de interés para la CFE difundir esta obra que se ha consolidado como el manual de consulta en ingeniería civil más requerido no sólo en México, sino también por los ingenieros de otros países de habla hispana. Con la estrecha y fructífera cooperación lograda entre una de las más prestigiadas instituciones dedicadas a la investigación y la docencia del país, y la Comisión Federal de Electricidad, cuya misión es el suministro de electricidad con altos estándares de calidad al menor costo posible, para beneficio de México, se ha logrado actualizar y complementar este documento de alto valor técnico y académico, que será de mucha utilidad para el desarrollo de nuestra infraestructura eléctrica. Ing. César Fernando Fuentes Estrada Dr. Luis Agustín Álvarez – Icaza Longoria SIMBOLOGÍA Los principales símbolos usados en este capítulo son los siguientes: ´ , área de la sección transversal área con peligro especial de inundación área de acero de tensión área de acero de compresión área tributaria coeficiente de arrastre o factor de forma área del elemento coeficientes para determinar la contracción volumétrica (ver Tabla 6.6) coeficiente térmico de expansión lineal coeficiente de arrastre para olas rompientes carga de accidente dinámico en turbina cargas de expansión coeficiente de presión dinámica factor de exposición al viento carga muerta de estructura y maquinaria factor de pendiente cargas debidas a tuberías carga de vacío coeficientededepilote variación diámetro o columna peralte efectivo del elemento altura de sobrecarga por encima del nivel del terreno desplazamiento permisible altura de agua en reposo en la base del edificio o construcción donde rompe la ola elevación de la inundación básica elevación de la inundación de diseño excentricidad amplitud de la fuerza desbalanceada fuerza neta de oleaje componente horizontal de la onda rompiente componente horizontal de la fuerza debida a una ola rompiente con incidencia oblicua factor de carga C.1.2 ACCIONES SIMBOLOGÍA ′ ′ n ∗ fuerza neta de onda rompiente, por metro lineal de la estructura, también designada como fuerza de choque, de impulso o de impacto de ola, actuando sobre una superficie vertical cerca de la altura del agua en reposo tan tan frecuencia de operación de la máquina ∅′ ∅′ frecuencia del sistema aceleraciónde deresonancia la gravedad altura total del elemento altura de rompimiento de la ola elevación del terreno espesor del elemento altura de nieve correspondiente a la carga simétrica uniformemente distribuida altura de la carga simétrica altura de la cubierta superior altura de acumulación factor de importancia curvatura factor de intensidad de tensiones claro libre del miembro que se ensaya longitud del miembro a la temperatura longitud de la cubierta en la dirección de barlovento referida a la proyección o al muro de parapeto par de corto circuito del generador par normal del generador par normal del generador par normal de turbina par normal de turbina velocidad de operación de la máquina relación de módulos de elasticidad 45°/2 número de pisos máxima presión combinada de oleaje estática (primer término) y dinámica (segundo término), también designadas como presiones de choque potencia del generador potencia transmitida por cada turbina al eje excentricidad revenimiento en centímetros efectos de contracción acción accidental debida a lluvia, nieve o granizo acción debida a deformaciones durante el proceso constructivo empuje lateral de fluidos empuje lateral de suelos acción debida debida aa peso contracción por fraguado en miembros de concreto acción de fluidos acción debida a hundimientos diferenciales xiv MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES ′ " ′ ∗ ′ ′ carga muerta acción debida a sismo acción por cambios de temperatura carga viva uniforme para diseño por carga gravitacional carga viva con la distribución más desfavorable carga viva para diseño sísmico o eólico acción debidamás a viento combinación desfavorable de combinación más desfavorable de distancia de separación entre la cubierta y la construcción de mayor altura efectos térmicos contracción contracción unitaria velocidad promedio del agua variación máxima anual de temperatura en el sitio de la obra distancia entre alero y cumbrera intensidad máxima de la sobrecarga debida a la acumulación peso del rotor carga viva unitaria sostenida valor nominal de la carga viva instantánea carga sobre el terreno, por unidad de área, que corresponda a un periodo de recurrencia de cincuenta años. cargas de nieve o granizo supuestas actuando sobre la proyección horizontal correspondiente carga viva unitaria máxima valor nominal correspondiente al máximo probable coeficiente adimensional ángulo horizontal entre la superficie vertical y la dirección de llegada de la ola ángulo vertical entre la superficie no vertical y la horizontal incremento del gradiente medio de temperatura 0.5 5 cambio total en la curvatura de un miembro al cambiar su gradiente medio de temperatura de un valor ΔG1 a un valor ΔG2 cambio total en la longitud de un miembro al variar su temperatura media de un valor T1 a otro T2 incremento de temperatura media peso volumétrico peso volumétrico del agua valor medio perímetro de la sección en contacto con la atmósfera desbalance total normal de rotores peso total de rotores ángulo de fricción interna del material almacenado ángulo deo fricción (concreto tabique)entre el material almacenado y las paredes del silo ángulo de fricción entre el material almacenado y las paredes del silo (acero) velocidad de operación de la máquina xv MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 1. INTRODUCCIÓN Acción es todo agente –externo o inherente a la estructura o a su funcionamiento- cuyos efectos en ella pueden hacer que alcance un estado límite. Para fines de diseño, las acciones se representan usualmente mediante sistemas de cargas y/o de deformaciones cuyos efectos sobre la estructura se suponen equivalentes a los de las acciones reales. En el diseño de una estructura deberá considerarse el efecto combinado de todas las acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrir simultáneamente. En este capítulo se presentan los criterios generales para evaluar las acciones y las combinaciones de ellas que deben considerarse en el diseño de una estructura. Deben revisarse los niveles de seguridad ante dos grupos de estados límite: de falla y de servicio. Los primeros se refieren a modos de comportamiento que ponen en peligro la estabilidad de la construcción o de una parte de ella, o su capacidad para resistir nuevas aplicaciones de carga. Los segundos incluyen la ocurrencia de daños económicos o la presentación de condiciones que impiden el desarrollo adecuado de las funciones para las que se haya proyectado la construcción. Los niveles de seguridad que se adopten para cada uno de estos estados límite lí mite serán diferentes en general, de acuerdo con las correspondientes posibles que fallas; tanto de los periodos de recurrencia o consecuencias probabilidades de de las excedencia se dependerán asocien al valor nominal de cada acción como del factor de carga que se le aplique. Una vez establecido el tipo de comportamiento que se espera de una estructura, de acuerdo con su función, es necesario definir los agentes que pueden afectarla y llevarla a un estado límite de falla o de servicio. Estos agentes se designan con el nombre genérico de acciones, y para fines de diseño se representan usualmente por medio de sistemas de carga y/o de deformaciones impuestas, cuyo efecto sobre la estructura se supone equivalente al de las acciones reales. Las diversas acciones no obran en forma aislada sobre la estructura, sino que pueden ocurrir simultáneamente. Esto hace necesario identificar y evaluar las posibles acciones y considerar sus efectos combinados al plantear las condiciones de diseño. 1 C.1.2 ACCIONES C.1.2.1 INTRODUCCIÓN La estructura debe analizarse para cada combinación de acciones propuesta; las secciones y propiedades mecánicas de cada miembro deben ser las necesarias para resistir los efectos más desfavorables que pueden generarse a partir de las diversas combinaciones de acciones consideradas. 2 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 2. TIPOS DE ACCIONES SEGÚN SU DURACIÓN Se considerarán tres categorías de acciones de acuerdo con la duración en la que obran sobre una estructura con su intensidad máxima: permanentes, variables y accidentales. 2.1 Acciones permanentes Son aquellas que actúan en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad varía poco con el tiempo. Comprenden: Carga muerta, dentro de la que se considera el peso propio, tanto de los elementos estructurales como no estructurales, incluyendo instalaciones y equipo que ocupen una posición fija y permanente en la construcción, y el peso estimado de elementos que puedan colocarse posteriormente en forma duradera. Empuje estático de tierras. Deformaciones y desplazamientos impuestos a la estructura, tales como los debidos a pre-esfuerzo o a movimientos diferenciales permanentes de los apoyos. 2.2 Acciones variables Son las que actúan sobre una estructura con una intensidad variable en el tiempo. Comprenden: Carga viva. Representa las fuerzas gravitacionales que obran en la construcción y que no tienen carácter permanente. Empuje de granos y líquidos. Efectos causados en las estructuras por cambios de temperatura y contracciones. Deformaciones impuestas y hundimientos diferenciales que tengan una intensidad variable en el tiempo. Efectos de operación de maquinaria y equipo, incluyendo, cuando sean significativas, las acciones dinámicas que el funcionamiento de máquinas induzca en las estructuras debido a vibraciones, impacto, frenado y aceleración. 3 C.1.2 ACCIONES C.1.2.2 TIPOS DE ACCIONES SEGÚN SU DURACIÓN 2.3 Acciones accidentales Estas acciones no se deben al funcionamiento propio de la construcción y pueden alcanzar valores significativos sólo durante lapsos breves. Incluyen: Sismo Viento Cargas de montaje Otras acciones accidentales, como nieve, granizo, explosiones, incendios y otros agentes que puedan ocurrir en casos extraordinarios. Será necesario tomar precauciones en cada estructura, en su cimentación y en los detalles constructivos, para evitar un comportamiento catastrófico en el caso de que ocurran estas acciones. Las acciones se clasifican de acuerdo con las duraciones probables de su actuación sobre una construcción. Esto sirve para establecer las combinaciones que han de considerarse en el diseño, tomando en cuenta la información sobre las probabilidades de ocurrencia simultánea de varias de ellas, así como sobre las intensidades correspondientes. Estrictamente, las tres categorías de acciones que se definen son variables en el tiempo. Así, la carga muerta, considerada como permanente, sufre en realidad pequeñas variaciones debidas a cambios de humedad, efectos de intemperie, modificación de acabados, etc. Estas fluctuaciones constituyen una parte de las incertidumbres que deben considerarse al proponer valores nominales para diseño. Dada la gran diferencia que puede existir entre los valores máximo y mínimo de la intensidad de una acción variable, conviene en general definir tres intensidades: a) una máxima, que se emplea para formar combinación carga de diseño, en conjunto con las acciones permanentes; b) unalapromedio, que de sirve parabásica estudiar los efectos a largo plazo, como es el caso de asentamientos de construcciones desplantadas sobre suelos arcillosos, y c) una instantánea, que se emplea en conjunto con los efectos de una acción accidental. La estimación de las intensidades de las acciones de cualquier tipo se ve afectada en general por amplios márgenes de incertidumbre, menores para las acciones permanentes y mayores para las accidentales. Dada su naturaleza aleatoria, para fines de proponer valores de diseño tales intensidades deben describirse dentro de un marco probabilístico. 4 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 3. VALORES DE DISEÑO 3.1 Valores nominales El valor nominal de una acción es un valor de su intensidad que tiene asociada una probabilidad pequeña y prefijada de ser excedida durante un intervalo de tiempo determinado. Se exceptúan los casos en que los efectos de la acción en cuestión sean favorables a la estabilidad de la estructura, para los cuales el valor nominal de la acción será una intensidad con una probabilidad pequeña y prefijada de no ser alcanzada. En general, los reglamentos y normas de diseño estructural establecen como valores nominales los correspondientes a intensidades con probabilidades de 1 a 10 por ciento de ser excedidas (o de no ser alcanzadas, en el segundo grupo de casos). Específicamente, las normas del Distrito Federal (NTC DF, 2004) establecen el 2 por ciento. Cuando en el diseño deba considerarse el efecto de acciones cuyas intensidades no estén incluidas en este Manual de Diseño de Obras Civiles, las intensidades de diseño deberán establecerse con base en los criterios generales siguientes: Para determinar el valor nominal de una acción deberá tomarse en cuenta la incertidumbre en la intensidad de la misma y la que se deba a la idealización del sistema de carga; Para las las accion acciones es permanen permanentes tes se tomará en cuenta la varia variabilidad bilidad de las dimensiones de los elementos, de los pesos volumétricos y de las otras propiedades relevantes de los materiales, para determinar un valor máximo probable de la intensidad; Para acciones variables se determinarán las intensidades siguientes que correspondan a las combinaciones de acciones para las que deba revisarse la estructura: ‐ ‐ La intensidad máxima se establecerá como el valor máximo probable durante la vida esperada de la edificación. Se empleará para la combinación con los efectos de acciones permanentes; La intensidad insta ntánea se determ determinará inará comoaccidental el valor máximo el lapso en que instantánea pueda presentarse una acción como elprobable sismo, en y se 5 C.1.2 ACCIONES C.1.2.3 VALORES DE DISEÑO ‐ ‐ empleará para combinaciones que incluyan acciones accidentales o más de una acción variable; La intensidad media se estimará como el valor medio que puede tomar la acción en un lapso de varios años y se empleará para estimar efectos a largo plazo; y La intensidad mínima se utilizará cuando el efecto de la acción sea favorable a la estabilidad de la estructura y se tomará, en general, igual a cero. Para acciones accidentales no tratadas en detalle en este Manual de Obras Civiles se considerará como valor nominal de la intensidad el que corresponde a un periodo de retorno de cincuenta años. Las intensidades supuestas para las acciones no especificadas deberán justificarse en las memorias de cálculo y consignarse en los planos estructurales. 3.2 Valores de diseño El valor de diseño de una acción es el producto de su valor nominal por un factor de carga que depende de la clasificación de la acción y de la combinación de la carga en la cual se considera. Para determinar el valor de diseño deberán consultarse el subcap 4, donde se proporcionan los factores factores de carga para distintas combinaciones combinaciones y los subcap 5, 6 y 7, donde se discuten los valores nominales para acciones permanentes, variables y accidentales, respectivamente. El valor de la intensidad de una acción que se adopte para diseño debe ser el que conduzca a los efectos más desfavorables sobre el sistema; en general, esto implica adoptar el máximo valor que pueda presentar dicha intensidad. Sin embargo, como consecuencia de las incertidumbres mencionadas en los párrafos anteriores, sólo es posible determinar dicho valor si se acepta una probabilidad, previamente establecida, de ser excedido durante un lapso dado. Dicha probabilidad deberá ser suficientemente pequeña, pero no podrá ser igual a cero; el valor que se proponga para ella depende de lo conservador que se intente ser, es decir, del nivel de riesgo que se esté dispuesto a tolerar. El valor de la intensidad de una acción definido de acuerdo con el párrafo anterior se designa como su valor máximo probable; el valor aceptable de la probabilidad de que sea excedido será en general pequeño. Existen también casos para los que las condiciones más desfavorables del sistema se alcanzan cuando alguna acción adopta un valor mínimo; tal es, por ejemplo, el valor de la carga viva que debe considerarse al revisar la seguridad ante volteo de una estructura, para la cual dicha carga puede tener un efecto estabilizador. En tal caso, la condición de diseño debe establecerse en términos de un valor mínimo probable, el que debe determinarse mediante 6 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES un criterio similar al anterior, pero ahora especificando un valor suficientemente pequeño a la probabilidad de que dicho valor no sea alcanzado. Los valores máximo probable y mínimo probable son dos entre varios tipos de valores nominales que pueden establecerse como las variables de diseño, en términos de las cuales deben revisarse las condiciones de seguridad especificadas en las normas. En particular, para cada tipo de carga viva se especifican tres valores nominales: el máximo, el instantáneo y el promedio sostenido (ver inciso 6.1). Todos estos valores deben fijarse con base en la distribución de probabilidades de cada variable, la que a su vez se determina a partir de la información estadística existente, de un modelo matemático o de la combinación de ambos. Los valores nominales que se presentan en este manual han sido determinados de acuerdo con los criterios expuestos en los párrafos anteriores; por ello, sólo para casos poco comunes el proyectista deberá determinar un valor nominal para un caso específico, acorde con tales criterios. En algunos casos, se tendrá idea de un valor suficientemente conservador de la intensidad máxima probable, cuya probabilidad de excedencia sea menor que el valor recomendado; en otros, se podrá , por lo menos, partir de una estimación confiable de la media y el coeficiente de variación (o la desviación estándar) de la variable de interés. Para este caso, la ecuación siguiente puede emplearse para obtener una estimación aproximada del valor nominal correspondiente al máximo probable ∗ 11 (3.1) donde ∗ valor nominal correspondiente al máximo probable valor medio coeficiente de variación coeficiente adimensional, que depende del nivel de probabilidad deseado; igual a 2.0 en los reglamentos nacionales Para acciones permanentes, cuya posible variación durante la vida esperada de la estructura es pequeña, la probabilidad de excedencia del correspondiente valor de diseño puede especificarse sin hacer referencia a ningún intervalo de tiempo, pues dicha probabilidad es independiente de él; tal es el caso de cargas muertas, cargas vivas permanentes y algunas debidas a funcionamiento de equipo. Para las acciones designadas como variables, la amplitud de sus fluctuaciones en el tiempo y sus tiempos de ocurrencia son inciertos. Es el caso de la carga viva, que puede variar en forma significativa como consecuencia de cambio de ocupante de una estructura o de parte de ella; para establecer su valor nominal es necesario considerar el número de veces por unidad de tiempo que pueden ocurrir tales fluctuaciones, así como la distribución de probabilidades de sus intensidades para un ocupante cualquiera. Por fin, las acciones accidentales se presentan durante lapsos muy breves; para establecer sus valores nominales se parte de una descripción probabilística de los intervalos entre los instantes en que ocurren, la que incluye el número medio de veces por unidad de tiempo en 7 C.1.2 ACCIONES C.1.2.3 VALORES DE DISEÑO que se excede una cierta intensidad, o su recíproco, el correspondiente periodo de recurrencia. A este grupo corresponden las acciones sísmicas, descritas por su intensidad, las causadas por viento, especificadas en términos de la velocidad máxima a una altura de referencia sobre el terreno, o las cargas de nieve, expresadas mediante la profundidad del depósito sobre el terreno o por el correspondiente peso por unidad de área. 8 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 4. COMBINACIONES DE ACCIONES PARA DISEÑO Y FACTORES DE CARGA Para fines de revisar la seguridad de una estructura deberá considerarse el efecto combinado de todas las acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrir simultáneamente; regirá en el diseño la combinación que produzca los efectos más desfavorables. Las estructuras, componentes y cimentaciones deben diseñarse de manera que su capacidad de diseño sea mayor o igual que los efectos de las cargas factorizadas, de acuerdo con las combinaciones que se presentan a continuación. Tanto las combinaciones como los factores de carga que se proponen son aplicables a estructuras de concreto reforzado, acero, mampostería o madera, diseñadas de acuerdo con normas aceptadas específicamente por la Comisión Federal de Electricidad. 1.5 para ca carga rga perma permanente nente y variable 1.1 ’ para distribución más desfavorable de carga viva 1.25 ” ’ 0.5 para sismo 1.1 ” 1.3 ’ 0.5 para viento 1.1 ′ para carga accidental por lluvia, granizo o nieve donde acción accidental debida a lluvia, nieve o granizo, en kN acción debida a deformaciones durante el proceso constructivo, en kN acción debida a contracción por fraguado en miembros de concreto, en kN acción debida a peso de fluidos, en kN empuje lateral de fluidos, en kN empuje lateral de suelos, en kN acción debida a hundimientos diferenciales, en kN carga muerta, en kN acción debida a sismo, en kN 9 C.1.2 ACCIONES C.1.2.4 COMBINACIONES DE ACCIONES PARA DISEÑO Y FACTORES DE CARGA ′ " ′ acción por cambios de temperatura, en kN carga viva uniforme para diseño por carga gravitacional, en kN carga viva con la distribución más desfavorable, en kN carga viva para diseño sísmico o eólico, en kN acción debida a viento, en kN combinación más desfavorable de combinación más desfavorable de 0.5 5 y deberán tomarse igual a cero si esto conduce a condiciones de carga más desfavorables. no se considerará como carga si contribuye a la resistencia estructural ante otras acciones, pero se tomará en cuenta al calcular la resistencia de diseño. El factor 1.5 que afecta el primer término de la expresión que corresponde a la Combinación (1) podrá reducirse a 1.3 para construcciones cuya falla estructural ocasionaría pérdidas de magnitud sumamente pequeña y no causaría normalmente daños a las construcciones de los grupos A y B ni pérdida de vidas. Se incluyen en este grupo, por ejemplo, bodegas provisionales y bardas con altura no mayor a m. 2.5 Los de carga viva para calcular y se determinarán de acuerdo con valores el incisounitarios 6.1. ,, ′ " Para acciones o fuerzas internas cuyo efecto sea favorable a la resistencia o estabilidad de la estructura, en vez de se tomará un factor de carga ; además, el valor mínimo probable se considerará como valor nominal de la intensidad de la acción. 1.5 0.9 En los casos en que se aplique el diseño por esfuerzos admisibles, así como para fines de revisión para estados límite de servicio, se tomará el factor de carga . 1.0 De acuerdo con el párrafo que precede a la definición de las combinaciones (1) a (5), los factores de carga que se proponen “son aplicables a estructuras de concreto reforzado, acero, mampostería o madera, diseñadas de acuerdo con normas aceptadas específicamente por la Comisión Federal de Electricidad”. Esto es válido debido a que dichas normas emplean factores reductivos de resistencia establecidos con base en planteamientos orientados a lograr niveles uniformes de seguridad, tomando en cuenta las formas en que se definen los valores nominales de las resistencias supuestas para fines de diseño, así como las incertidumbres que afectan a las resistencias reales y a los efectos de las cargas que pueden actuar sobre cada sistema por diseñar. 10 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 5. EVALUACIÓN DE ACCIONES PERMANENTES 5.1 Carga muerta En la evaluación de valores nominales de cargas muertas podrán utilizarse los pesos unitarios proporcionados en la Tabla 5.1. Para cada material, sea seco o saturado, se dan dos pesos unitarios. El valor mínimo se utilizará cuando, en relación con la estabilidad de la estructura, sea más desfavorable considerar una carga muerta menor; tales son los casos de flotación, lastre y succión producida por viento. En cualquier otro caso se empleará el valor máximo. El peso muerto calculado de losas de concreto de peso normal, coladas en el lugar, se incrementará en N/m2. Cuando se coloque una capa de mortero de peso normal sobre una losa colada en el lugar o precolada, el peso calculado de dicha capa también se incrementará en N/m2, de manera que en las losas coladas en el lugar que estén cubiertas con una capa de mortero el incremento total será de N/m2. 200 200 400 Tratándose de losas y capas de mortero que posean pesos volumétricos diferentes del normal, mencionado en la Tabla 5.1, estos valores se modificarán en proporción con los pesos volumétricos. En la evaluación de la carga muerta que actúa sobre una estructura debe incluirse el peso propio de todos los elementos que actuarán permanentemente sobre ella, incluyendo tanto los elementos estructurales como los no estructurales. Entre ellos se encuentran los pesos propios de columnas, trabes, muros, pisos, acabados, firmes, recubrimientos, plafones, etc., así como el de equipo e instalaciones permanentes. Entre todas las acciones consideradas, es la carga muerta la que presenta las menores incertidumbres; sin embargo, aun para ella pueden ocurrir diferencias importantes entre las acciones reales y las supuestas para el diseño. Esto se debe fundamentalmente a a) las posibles discrepancias en las dimensiones de los elementos citados arriba, que se traducen en discrepancias en los volúmenes de materiales, y b) posibles modificaciones del proyecto, que pueden traducirse en la aplicación de cargas diferentes de las consideradas al efectuar el diseño. 11 C.1.2 ACCIONES C.1.2.5 EVALUACIÓN DE ACCIONES PERMANENTES Las discrepancias de las dimensiones reales con respecto a sus valores nominales son a veces predecibles, y sus efectos pueden incluirse en el análisis. Por ejemplo, las mediciones de los espesores reales de losas de concreto reforzado muestran una diferencia media (sesgo) entre el peralte real y el nominal igual a cm, con una desviación estándar de cm. En otros casos pueden presentarse condiciones imprevistas, tales como las sobrecargas que pueden resultar de las deformaciones verticales excesivas de sistemas de piso, que conducen a la construcción de rellenos no considerados en el proyecto original y que tienen por objeto corregir los niveles. 0.6 0.09 En la estimación de cargas muertas es importante también considerar las desviaciones relativas a los pesos volumétricos de los materiales, así como a sus contenidos de humedad, que constituyen un factor importante en tales desviaciones. Los coeficientes de variación oscilan entre menos del % para concretos elaborados con los mismos materiales y % para las rocas más usuales. 1 16 En la Tabla 5.1 se proporcionan valores de los pesos volumétricos de los materiales más usuales de construcción según los reglamentos mexicanos. De los dos valores anotados debe tomarse para fines de diseño el que produce los efectos más desfavorables para la combinación de acciones considerada. Así, por ejemplo, para diseño por resistencia de elementos estructurales se tomará el valor máximo anotado, mientras que al revisar un posible estado de flotación de una cimentación se tomará el valor menor. De igual manera, en el análisis de una estructura ante volteo debida a la acción de fuerzas laterales dada la condición más desfavorable se obtiene para valores mínimos de los pesos volumétricos. En algunos casos, como en los pisos destinados a oficinas, es usual considerar muros ligeros desmontables que pueden adaptarse a diversas distribuciones en planta. En estas condiciones es difícil determinar con precisión la localización e intensidad de la carga muerta correspondiente. Es necesario entonces considerar una carga equivalente, aplicada uniformemente sobre toda la superficie del piso. Las divisiones de madera, vidrio o similares, pueden representarse, por ejemplo, mediante una carga muerta adicional de N/m2. 500 12 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Tabla 5.1 Pesos volum volumétricos étricos de materiales cons constructivos tructivos MATERIAL I Fragmentos de rocas naturales Arenisca (chilucas y canteras) secas Arenisca (chilucas y canteras) saturadas Basaltos (piedra braza) secos Basaltos (piedra braza) saturados Granito Mármol Riolita seca Riolita saturada Pizarra secas Pizarra saturada Tepetate secos Tepetate saturados Tezontle secos Tezontle saturados Caliza seca Caliza saturada II Suelos Arena de grano de tamaño uniforme seca Arena de grano de tamaño uniforme saturada Arena bien graduada seca Arena bien graduada saturada Arcilla del Valle de México, en su condición natural Caliche seco Caliche saturado III Materiales artificiales, artifici ales, concretos y morteros Concreto simple con agregados de peso normal Concreto reforzado Mortero cal y arena Mortero de de cemento y arena Aplanado de yeso Tabique macizo hecho a mano Tabique prensado Bloque hueco de concreto ligero (volumen neto) Bloque hueco de concreto intermedio i ntermedio (volumen neto) Bloque hueco de concreto prensado (volumen neto) Vidrio plano Peso volumétrico en N/m3 Máximo Mínimo 2.45 x104 2.50 x 104 2.60 x104 2.65 x104 3.20 x104 2.60 x 104 2.50 x104 2.55 x104 2.80 x104 2.85 x104 1.60 x104 1.95 x104 1.25 x104 1.55 x104 2.80 x 104 2.85 x 104 1.75 x104 2.00 x 104 2.35 x104 2.45 x104 2.40 x104 2.55 x 104 2.00 x104 2.05 x104 2.30 x104 2.35 x104 0.75 x104 1.30 x104 0.65 x104 1.15 x104 2.40 x 104 2.45 x 104 1.75 x 104 2.10 x 104 1.90 x 104 2.30 x 104 1.50 x 104 1.40 x 104 1.85 x 104 1.55 x 104 1.95 x 104 1.20 x 104 1.50 x 104 2.10 x 104 1.20 x 104 1.70 x 104 2.20 x 104 2.40 x 104 2.00 x 104 2.20 x 104 4 4 1.50 xx 10 104 2.10 1.50 x 104 1.50 x 104 2.20 x 104 1.30 x 104 1.40 xx 10 104 1.90 1.10 x 104 1.30 x 104 1.60 x 104 0.90 x 104 1.70 x 104 1.30 x 104 2.20 x 104 2.00 x 104 3.10 x 104 2.80 x 104 13 C.1.2 ACCIONES C.1.2.5 EVALUACIÓN DE ACCIONES PERMANENTES Tabla 5.1 (continuación) (continuación) Pesos volumétricos de materiales cons constructivos tructivos MATERIAL IV Madera Caoba seca Caoba saturada Cedro seco Cedro saturado Oyamel seco Oyamel saturado Encino seco Encino saturado Pino seco Pino saturado V Recubrimientos Azulejo Mosaicos de pasta Granito de terrazo de 20 x 20 Granito de terrazo de 30 x 30 Granito terrazo odevinílica 40 x 40 Losetadeasfáltica 5.2 Peso volumétrico en N/m3 Máximo Mínimo 0.65 x 104 0.55 x 104 1.00 x 104 0.70 x 104 0.55 x 104 0.40 x 104 0.70 x 104 0.50 x 104 0.40 x 104 0.30 x 104 4 0.65 x 10 0.55 x 104 0.90 x 104 0.80 x 104 1.00 x 104 0.80 x 104 0.65 x 104 0.45 x 104 1.00 x 104 0.80 x 104 Pesos en N/m2 150 100 350 250 450 350 550 450 650 100 550 50 Empuje de tierra En el diseño de elementos estructurales adyacentes a depósitos de suelos, deberá considerarse la presión lateral ejercida por el depósito sobre el elemento, tomando en cuenta, además, los efectos de posibles sobrecargas sobrecargas,, fijas o móviles. Cuando una parte del suelo adyacente, o todo él, se encuentren bajo el nivel freático, los cálculos de presiones deberán hacerse considerando el peso sumergido del suelo y la presión hidrostática correspondiente. Deberán tomarse en cuenta los requisitos incluidos en los capítulos correspondientes a estructuras de retención de tierra y cimentaciones de la sección de Geotecnia de este manual (caps B.2.6 y B.2.5, respectivamente). La Tabla 5.2 presenta valores de empujes laterales de suelos en Newtons por metro cuadrado (kilogramos por metro cuadrado), por cada metro de profundidad del punto donde se calcula la presión lateral con respecto a la superficie libre del terreno. Estos valores pueden emplearse cuando no se cuente con información directa de exploraciones geotécnicas en el sitio. Estos valores corresponden a condiciones húmedas para los suelos especificados, para sus densidades óptimas. Cuando se cuente con información de campo, ésta se adoptará. Las presiones de suelos sumergidos o saturados deberán incluir el peso del suelo flotante, además de las presiones hidrostáticas. 14 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Las recomendaciones que se hacen en este capítulo para la evaluación de empujes de tierra son de índole general y no deben considerarse suficientes para diseñar elementos estructurales cuya principal finalidad sea la de resistir estos empujes, como es el caso de muros de retención, para los que debe consultarse la sección del cap B.2.6 de este manual. Tabla 5.2 Valores de diseño de los empu empujes jes de suelos (Tomada de ASCE/SEI ASCE/SEI 7–10) Descripción del material de relleno Clasificación unificada de suelos Gravas limpias, bien graduadas; mezclas de grava y arena Gravas limpias mal graduadas; mezclas de grava y arena Gravas limosas; mezclas de grava y arena mal graduadas Gravas arcillosas; mezclas de grava y arcilla mal graduadas Arenas limpias, bien graduadas; mezclas de arena gravosa Arenas limpias mal graduadas; mezclas de arena y grava Arenas limosas; mezclas arena-limo mal graduadas GW GP GM GC SW SP SM Mezcla de arcillamezclas con arena-limo y finos Arenas arcillosas; arena-arcilla malplásticos graduadas Limos inorgánicos y limos arcillosos Mezclas de limo y arcilla inorgánicos Arcillas inorgánicas de plasticidad baja a media Limos orgánicos y arcillas limosas; baja plasticidad Limos arcillosos inorgánicos; limos elásticos Arcillas inorgánicas de alta plasticidad Arcillas orgánicas y arcillas limosas SM-SC SC ML ML-CL CL OL MH CH CH Empuje lateral de diseño por metro de profundidad N/m2 5 600 b 5 600 b 5 600 b 7 200 b 5 600 b 5 600 b 7 200 b c 13 600 c 13 600 c 13 600 c 16 000 a a a a Notas: a Inadecuado como material de relleno b Para muros relativamente rígidos, como cuando están arriostrados por medio de los pisos, el empuje lateral del suelo para diseño se incrementará para suelos de tipos de arena y grava a 2 cada metro de soporten profundidad. Los muros sótano no se extiendan de mN/m bajopor la superficie y que sistemas de pisode ligeros noque se considerarán comomás muros relativamente rígidos. c Para muros relativamente rígidos, como cuando están arriostrados por medio de los pisos, el empuje lateral para diseño se incrementará para suelos de tipos de limo y arcilla a N/m2 por cada metro de profundidad. Los muros de sótano que no se extiendan más de m bajo la superficie y que soporten sistemas de piso ligeros no se considerarán como muros relativamente rígidos. 9600 2.50 16000 2.50 5.3 Empuje estático de líquidos Además de los conceptos que se presentan a continuación, debe consultarse el capítulo correspondiente a tanques y depósitos, de la l a Sección de Estructuras Especiales de este manual (cap C.2.4). 15 C.1.2 ACCIONES C.1.2.5 EVALUACIÓN DE ACCIONES PERMANENTES 5.3.1 Líquidos con superficie libre Los empujes estáticos de líquidos con superficie libre se calcularán suponiendo que en cada punto de contacto del líquido con las paredes y fondo del recipiente que lo contiene obra una presión igual al peso volumétrico del líquido por la altura medida desde la superficie libre hasta el punto considerado. Cuando el peso volumétrico del líquido sea menor que el del agua, se revisarán los elementos estructurales, excepto en el cálculo de asentamientos y en el diseño sísmico, suponiendo también que el recipiente está lleno de agua. En todos los casos, se aplicarán los factores de carga especificados en el subcap 4. 5.3.2 Líquidos a presión Cuando sobre la superficie libre del líquido obre una presión mayor que la atmosférica (por ejemplo, en el caso de recipientes a presión), se sumará la diferencia a las presiones calculadas de acuerdo con el inciso anterior. En el diseño por estados límite, para la presión excedente se empleará un factor de carga de . 1.4 5.4 Empuje estático de material granular Además de los conceptos que se presentan a continuación, debe consultarse el capítulo correspondiente a tanques y depósitos, de la sección de Estructuras Especiales de este Manual (cap C.2.4). 5.4.1 Valores nominales de pesos volumétricos y ángulos de fricción Los valores nominales de los pesos volumétricos y ángulos de fricción para el cálculo o preliminares de presiones podrán tomarse preliminarmente de la Tabla 5.3 o determinarse en forma experimental, en cuyo caso se adoptará como peso volumétrico nominal el que corresponda a una probabilidad de por ciento de ser excedido, y como ángulo de fricción el que tenga una probabilidad de por ciento de no alcanzarse. También podrán utilizarse valores medios que se citen en la literatura técnica fidedigna, aumentando en por ciento el peso volumétrico y disminuyendo en por ciento los valores de la tangente del ángulo de fricción. 2 5 2 10 Para fines de diseño ante estados límite, el factor de carga para empujes estáticos de granos será de 1.4. 5.4.2 Efectos dinámicos de vaciado en silos o estructuras similares Salvo que se empleen tubos anti-dinámicos para vaciar el material, además de las presiones citadas, causadas por material almacenado, deberán tenerse en cuenta los efectos dinámicos debidos al vaciado. 16 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Si el silo se puede vaciar excéntricamente, deberán considerar considerarse, se, además, las presiones asimétricas provenientes de tal operación, a menos que se recurra a algún dispositivo que asegure el descenso centrado del material. Para grupos de silos con cimentación común es necesario analizar, con fines de definir las acciones de diseño, las posibilidades de tener vacíos uno o varios silos del grupo. Tabla 5.3 Valores nominales de pes pesos os volumétricos y áángulos ngulos de fricción Material N/m3 Cemento Carbón Coque Arena y grava Maíz Trigo Frijol Chícharo Cebada Avena Linaza Silo de concreto ′ c 1.50 x104 0.84 x104 0.46 x104 1.80 x104 0.74 x104 0.87 x104 0.76 x104 0.84 x104 300 310 350 350 240 210 270 220 4 0 0.66 0.46 x104 0.69 x104 240 210 0.33 0.22 0.27 0.27 0.42 0.47 0.38 0.45 290 300 360 280 190 220 200 140 0.55 0.58 0.76 0.53 0.34 0.40 0.36 0.25 0 0.42 0.47 200 22 200 Silo de acero ' A 290 180 220 200 190 200 200 140 0.55 0.32 0.40 0.36 0.34 0.36 0.36 0.25 0 0.36 0.40 0.36 20 220 200 0.36 0.40 0.36 donde peso volumétrico del material almacenado, en N/m3 ángulo de fricción interna del material almacenado, en grados factor de intensidad de tensiones fricción ción entre eell materia materiall alma almacenado cenado y las paredes del silo ángulo de fric (concreto o tabique) en grados fricción ción entre eell materia materiall alma almacenado cenado y las paredes del silo ángulo de fric (acero), en grados 45° – /2 ′ ′ 17 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 6. EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES 6.1 Cargas vivas Se considerarán tres valores nominales de carga viva por unidad de área, presentados en la T. 6.1, de acuerdo con el destino del piso o cubierta en cuestión. En dicha tabla, A representa el área tributaria en metros cuadrados correspondiente al elemento que se diseña. La carga viva unitaria máxima, , deberá utilizarse para el diseño estructural por fuerzas gravitacionales y para calcular asentamientos inmediatos, como los que ocurren en suelos muy permeables (arenas y gravas) o en los no saturados, así como en el diseño ante cargas gravitacionales de los cimientos que se apoyen en estos materiales. El valor nominal de la carga viva instantánea, , deberá utilizarse en los diseños por sismo y por viento, así como cuando se revisen distribuciones de carga más desfavorables que la uniformemente repartida sobre toda el área. La carga viva unitaria sostenida, , se usará en el cálculo de asentamientos en materiales poco permeables (limos y arcillas) saturados, así como en el diseño ante cargas gravitacionales de los cimientos que en ellos se apoyen, en los casos en que el diseño esté regido por el efecto de asentamientos diferenciales. Cuando el efecto de la carga viva sea favorable para la estabilidad de la estructura, como en los casos de problemas de flotación y volteo, su intensidad se considerará nula sobre toda el área, a menos que pueda justificarse un valor mínimo probable. Durante el proceso de construcción deberán tomarse en cuenta las cargas vivas transitorias que puedan presentarse; éstas incluirán el peso de los materiales almacenados temporalmente, el de los vehículos y equipo, el del colado de plantas superiores apoyándose en la planta que se analiza y el del personal necesario; éste último no será menor al de la carga viva que se especifica para cubiertas y azoteas con pendiente no mayor que el por ciento. 5 En esta sección se identifican tres tipos diferentes de carga viva: la máxima, la instantánea y la sostenida. 19 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES La carga viva máxima, , tiene una probabilidad pequeña de ser excedida durante la vida útil esperada de una estructura; es la especificada para el diseño estructural y para la revisión de cimentaciones ante la acción de la gravedad. Por congruencia con los criterios especificados para determinar los valores nominales de las cargas muertas, las cargas vivas para diseño ante la acción de la gravedad deben fijarse de tal manera que en cada caso el valor nominal corresponda a una probabilidad de por ciento de ser excedido en diez años. Siguiendo este criterio se asocian a tanto el factor de carga de , aplicado a la carga muerta, como los factores reductivos de resistencia que se aplican al diseñar para resistir sus efectos; por esto es posible sumar directamente ambos tipos de cargas al plantear las condiciones de diseño. 2 1.5 En casi cualquier instante la distribución en planta de la carga viva es irregular y el valor máximo probable que puede alcanzar su promedio sobre una superficie dada es función decreciente del área correspondiente. Sería excesivamente costoso diseñar todos los pisos para que resistan cargas excepcionalmente elevadas, como las debidas a cajas fuertes o bibliotecas. Por ello tales cargas no están incluidas en el conjunto de datos en que se basa la estimación de los valores nominales de la carga viva de diseño en oficinas, despachos y similares. Conviene identificar los elementos estructurales específicos que pueden estar sometidos a los efectos de este tipo de cargas excepcionalmente elevadas, a fin de tomarlas en cuenta cuando sea necesario. Para el cálculo de asentamientos diferenciales en ciertos suelos, también se propone tomar el valor de diseño de la carga viva por unidad de área igual a wm . Además de suelos secos y de gravas y arenas, en este caso se consideran todos los suelos que sirvan de apoyo a zapatas de muy pequeñas dimensiones en planta, bajo las cuales el proceso de consolidación es, en consecuencia, esencialmente tridimensional y rápido. Ello obedece a que para estos materiales las deformaciones causadas por las cargas que actúan sobre ellas ocurren tan rápidamente como en la mayoría de las respuestas estructurales para las cuales se diseña. También los cimientos que se apoyan en estos suelos deberán diseñarse considerando la acción de la carga unitaria , pues las deformaciones de dichos elementos estructurales deben ser compatibles con las del terreno. La carga viva instantánea es la que puede presentarse en un instante cualquiera. Su valor nominal, , es en general intermedio entre el máximo descrito arriba y el de la carga sostenida, que se describe más adelante. Este es el valor que debe considerarse para fines de diseño ante la acción simultánea con cargas accidentales, como viento o sismo. Es poco probable que ocurran simultáneamente un evento sísmico o eólico de las intensidades implícitas en los requisitos para diseño ante estas acciones accidentales y la acción de carga viva con intensidad cercana a su valor nominal máximo. Además, durante un temblor intenso no es de suponerse que opera la amplificación dinámica que se adopta en diseño por cargas gravitacionales. Por otra parte, las consecuencias de falla serán más graves cuanto mayor sea 20 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES la carga viva presente. Las primeras consideraciones conducen a suponer que wa debe ser menor que ; las segundas, a que debe ser mayor. El valor de la carga viva sostenida, ; es el que debe emplearse para el cálculo de asentamientos en suelos que se deforman lentamente. Dicho valor es igual al promedio temporal esperado de la carga, afectado por un factor de amplificación ligeramente mayor que la unidad, para tomar en cuenta las incertidumbres en la estimación de dicho promedio. En general, este valor resulta menor que y . Cuando sea desfavorable que una estructura o parte de ella se encuentre libre de carga viva, esta condición deberá considerarse en el diseño, dado que la probabilidad de que esta condición se presente en general no es despreciable. Sin embargo, en el análisis por fuerzas gravitacionales esta hipótesis equivale a suponer que la carga viva actúa con su distribución más desfavorable, por lo que sería aplicable el factor de carga de , en vez de , para la suma de las cargas muerta y viva. 1.1 1.5 En diversos espacios de las construcciones es conveniente colocar placas en las que se indique la carga viva de diseño, como información para los ocupantes, en particular en casos de cambio de destino. También es aconsejable diseñar los elementos para los que se considere probable la aplicación de cargas significativamente más elevadas que las previstas en el diseño de manera que posean mecanismos dúctiles de falla, en caso de que ésta ocurra. En la Tabla 6.1 se proponen cargas para cubiertas y techos, con objeto de evitar que, con base en consideraciones que ignoren la posibilidad de aplicaciones de cargas extraordinarias en estos elementos, se propongan valores demasiado bajos para las cargas de diseño. Con respecto a la edición anterior de este manual, se ha eliminado como caso especial el de cubiertas y techos con pendientes mayores a %, pues se consideró razonable adoptar las cargas propuestas para casos con pendientes mayores que %. Se incluyen valores de diseño 20 5 para carga de granizo, las que se complementan con las que se proponen para nieve y granizo en el inciso 7.4. 21 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES Tabla 6.1 Cargas viva vivass unitaria unitariass de diseño Destino del piso o cubierta Habitación (casas habitación, departamentos, viviendas, dormitorios, cuartos de hotel, internados de escuelas, cuarteles, cárceles, correccionales, hospitalles y similares II. Oficinas, despachos y laboratorios III. Aulas IV. Comunicación para peatones (pasillos, escaleras, rampas, vestíbulos y pasajes de acceso libre al público) V. Estadios y lugares de reunión sin asientos individuales N/m2 Observaciones N/m2 N/m2 700 900 1700 1 1000 1800 2500 2 1000 1800 2500 400 1500 3500 3, 4 400 3500 4500 5 400 2500 3500 5 0.9 0.8 0.9 6 7 I. VI. Otros lugares de reunión (bibliotecas, templos, cines, teatros, gimnasios, salones de baile, restaurantes, salas de juego y similares) VII. Comercios, fábricas y bodegas VIII. Tanques y cisternas 0.8 0.7 IX. Azoteas con con pendiente no mayor 150 700 1000 4, 8 al 5% X. Azoteas con pendiente mayor al 50 200 400 4, 8, 9, 10 5%; otras cubiertas, cualquier pendiente 150 700 3000 XI. Volados en vía pública (marquesinas, balcones y similares) XII. Garajes y estacionamientos 400 1000 2500 11 (exclusivamente para automóviles) Observaciones: 1 Para elementos con área tributaria mayor que m2, podrá reducirse, tomando su valor en N/m2 igual a / , donde es el área tributaria en m2. Cuando sea más desfavorable se considerará en lugar de wm una carga de N aplicada sobre un área de mm en la posición más crítica. 1000 4200 √A 36 5000 500 500 Para sistemas de piso ligeros con cubierta rigidizante, se considerará en lugar de wm , cuando sea más desfavorable, una carga concentrada de N para el diseño de los elementos de soporte 2500 y de N para el diseño de la cubierta, en ambos casos ubicadas en la posición más desfavorable. 1000 22 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Se considerarán sistemas de piso ligeros aquéllos formados por tres o más miembros aproximadamente paralelos y separados separados entre sí no más de mm y unidos con una cubierta de madera contrachapada, de duelas de madera bien clavadas u otro material que proporcione una rigidez equivalente. 800 36 2 Para elemento elementoss con área tributaria mayor a m2, wm podrá reducirse, tomando su valor en N/m2 igual a , donde es el área tributaria en m 2. Cuando sea más desfavorable N aplicada sobre un área de mm en se considerará en lugar de wm una carga de la posición más crítica. 1100 8500/√ 8500/√ 10000 500 500 Para sistemas de piso ligero con cubierta rigidizante, definidos como en la nota 1, se considerará en lugar de wm , cuando sea más desfavorable, una carga concentrada de N para el diseño de los elementos de soporte y de N para el diseño de la cubierta, en ambos casos ubicadas en la posición más desfavorable. 5000 1500 3 En áreas de comunicación en cas casas as habitación y edificios de departa departamentos mentos se considerará la misma carga viva que en el inciso I de esta tabla. 4 Para el diseño de pretiles y barandales en escaleras, rampas, pasillos y balcones, se deberá fijar una carga por metro lineal no menor que N/m actuando al nivel de pasamanos y en la 1000 dirección más desfavorable. 5 En estos casos deberá prestarse prestarse particular atención a la revisión de los estados límite de servicio relativo a vibraciones. 6 Atendiendo al destino del piso se determinará con los criterios del subinciso 6.1.1 la carga N/m2 y deberá especificarse en los planos mínima unitaria , que no será inferior a estructurales y en placas colocadas en lugares fácilmente visibles de la l a edificación. 7 3500 es la presión en el fondo del tanque o cisterna correspondiente al tirante máximo posible. 8 Las cargas vivas especificadas especificadas para cubiertas y azoteas no incluy incluyen en las cargas producidas po porr tinacos y anuncios, ni las que se deben a equipos u objetos pesados que puedan apoyarse en el techo o colgarse de él. Estas cargas deben preverse por separado y especificarse en los planos estructurales. Adicionalmente, los elementos de las cubiertas y azoteas deberán revisarse con una carga concentrada de N en la posición más crítica. 1000 9 Además, en el fondo fondo de los valles de techos techos inclinados se cons considerará iderará una carga debida debida al granizo de N por cada metro cuadrado de proyección horizontal del techo que desagüe hacia el valle. Esta carga se considerará como una acción accidental para fines de revisión de la seguridad estructural y se le aplicarán los factores de carga correspondien correspondientes tes según el inciso 4.1. 300 1000 10 Para tomar en en cuenta el efecto efecto de granizo, granizo, wm se tomará igual a N/m2 y se tratará como una carga accidental para fines de calcular los factores de carga de acuerdo con lo establecido en el inciso 4.1. Esta carga no es aditiva a la que se menciona en el concepto X de esta tabla y en la nota 9 de esta relación. 11 Más una concentración de que se trate. 15000 N en el lugar más desfavorable del miembro estructural de 23 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES 6.2 Deformaciones impuestas En este inciso se tratan los siguientes tipos de deformaciones: 6.2.1 Hundimientos diferenciales 6.2.2 Deformaciones producidas por ccambio ambio de cambio de tempera temperatura tura 6.2.3 Efectos de contracción por fraguado Los criterios que aquí se presentan para estos conceptos deberán aplicarse también a deformaciones impuestas no cubiertas específicamente en este documento. 6.2.1 Hundimientos diferenciales Para el cálculo de hundimientos deberá consultarse la sección del manual correspondiente a cimentaciones (cap B.2.5). Para equipo sensible a este tipo de perturbaciones, los valores tolerables deberán establecerse con base en los criterios que establezcan los fabricantes. Para otros sistemas, los efectos de hundimientos diferenciales sobre una estructura podrán omitirse cuando no se excedan los valores dados en la Tabla 6.2 o en cualquiera de los siguientes casos: 2 Cuando el máximo hundimiento calculado no exceda de cm, siempre que el suelo sobre el que se asiente la construcción no posea heterogeneidades pronunciadas en planta y no contenga arcillas expansivas. Cuando toda la construcción se apoye en roca sana o en suelo cuyo número de golpes en la prueba de penetración estándar sea mayor que por cada cm de profundidad, desde la superficie de desplante de la construcción hasta veces el ancho de ésta, y que dicho suelo no contenga arcillas expansivas. Cuando se cuente con información abundante de acuerdo con la experiencia local con construcciones semejantes a la que se proyecta, o más vulnerables que ella a 20 30 1.5 los asentamientos, y dicha experiencia muestre que los hundimientos diferenciales carecen de importancia para el diseño de tales construcciones. Tabla 6.2 Hundimientos diferencia diferenciales les tolerables en es estructuras tructuras TIPO DE ESTRUCTURA Tanques estacionarios de acero para almacenamiento de petróleo o algún otro fluido Extremo fijo Extremo móvil 24 HUNDIMIENTO DIFERENCIAL TOLERABLE (m) 0.008 0.002 a 0.003 (dependiendo de los detalles de la tapa flotante) OBSERVACIONES Valores aplicados a tanques sobre base flexible. Las losas rígidas para la base deben diseñarse de tal manera que eviten fisuramiento y pandeo local MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Tabla 6.2 (continuación) (continuación) Hundimientos diferenc diferenciales iales tolerables en estructuras Guías para grúas móviles 0.003 Valor tomado longitudinalmente a lo largo de la grúa. El asentamiento relativo entre guías en general no rige el desempeño 0.002 Losa de cimentación rectangular o zapatas anulares (pendiente transversal rígidas para estructuras rígidas de cimentaciones rígiesbeltas y altas, como torres, das) silos, tanques de agua La máxima variación angular en la junta es generalmente de a Tuberías forzadas de concreto 0.015 con juntas (variación del ángulo en veces el promedio de las pendientes del perfil de hundimiento. El daño a una junta) la junta depende de la extensión longitudinal Marcos de acero: 2 4 Hasta cuatro pisos Cuatro a catorce pisos Quince o más pisos Marcos de concreto reforzado: 0.006 0.006(1.255-0.0636n) 0.0018 Hasta cuatro pisos Cuatro a catorce pisos Quince o más pisos 0.004 0.004(1.255-0.0636n) 0.0012 Estructuras de acero de una o dos plantas, armaduras para cubierta, almacenes con muros flexibles Casas de una o dos plantas, con muros de ligeras carga de ladrillo y estructuras Estructuras con acabado interior o exterior relativamente insensible, como mampostería en seco o paneles móviles Estructuras con acabado interior o exterior sensibles, como yeso, piedra ornamental, teja 0.006 a 0.008 n = número de pisos n = número de pisos Deberá considerarse también como valor máximo tolerable un incremento semanal del hundimiento igual a veces la distancia entre columnas La presencia de grúas móviles y de líneas de transmisión puede limitar el hundimiento tolerable 0.002 Pueden aceptarse valores mayores 0.002 a 0.003 0.002 a 0.003 0.001 a 0.002 si la mayor del hundimiento ocurre antesparte de completar el acabado interior La posibilidad de daños en la estructura puede limitar los desplazamientos tolerables Pueden aceptarse valores mayores si la mayor parte del hundimiento ocurre antes de terminar la aplicación de los acabados 25 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES Tabla 6.2 (continuación) (continuación) Hundimientos diferenc diferenciales iales tolerables en estructuras Estructuras rígidas de concreto pesado de varias plantas, sobre losa de cimentación estructurada con espesor aproximado de 1.20 m La posibilidad de daños a los acabados interiores o exteriores puede limitar los asentamientos tolerables 0.005 Hundimiento diferencial del borde al centro Estructura Pendiente promedio del perfil de hundimiento 6.2.2 Perfil de hundimiento * Salvo indicación en contra, el hundimiento diferencial tolerable se expresa en radianes, y se refiere al asentamiento dife-rencial del centro del perfil de asentamientos con respecto a la línea recta que une ambos extremos, en la configuración de-formada de la cimentación. Esto se muestra gráficamente en la figura de la izquierda. Deformaciones producidas por cambio de temperatura a) Criterios generales. Los efectos de cambios de temperatura podrán omitirse en estructuras cuyas dimensiones no excedan de metros en cualquier dirección, si todos sus miembros estructurales son de ejes rectos y si las losas de concreto más directamente expuestas a la intemperie están protegidas al menos por un enladrillado. Cuando se trate de elementos estructurales de acero, el límite citado para las dimensiones podrá incrementarse en por ciento. Las dimensiones máximas en planta se limitarán, de manera que los esfuerzos causados en cualquier elemento vertical por las deformaciones debidas a cambios de temperatura no excedan el por ciento de los debidos a las cargas gravitacionales. 30 50 50 Los elementos estructurales que se encuentren contactohornos con ambientes de temperatura controlada o excepcional, tales comoentanques, y frigoríficos, merecen consideración especial en el diseño por efectos de cambios de temperatura. b) Cuantificación de los efectos de cambios de temperatura. Para cuantificar los efectos de cambios de temperatura, se cuantificarán inicialmente los cambios totales en longitud y curvatura de los miembros estructurales, sin considerar las restricciones impuestas por otros miembros o apoyos. Conocidos estos cambios totales de los miembros individuales, se procederá al análisis de la estructura como conjunto, debiéndose satisfacer las condiciones de equilibrio y compatibilidad. El comportamiento de la estructura podrá suponerse elástico lineal o elasto-plástico, si el tiempo no interviene como variable, o bien visco-elástico o visco-plástico, en caso de que se considere el tiempo. Para el cálculo de variaciones totales de longitud y curvatura de miembros individuales, podrán realizarse análisis de flujo térmico que consideren las propiedades térmicas y grados de exposición de los elementos estructurales o bien las expresiones siguientes 26 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES ∙ (6.1) (6.2) donde – es el cambio total en la longitud de un miembro al variar su temperatura media de un valor T1 a otro T2 es la longitud del miembro a la temperatura T1 incremento de temperatura media, en °C es el coeficiente térmico de expansión lineal En la Tabla 6.3 se presentan valores de para materiales comunes. Para otros materiales se supondrán valores que, según pruebas de laboratorio, correspondan a una probabilidad baja de ser excedidos. Tabla 6.3 Coeficientes térmic térmicos os de exp expansión ansión lineal Material Coeficiente (1 / 0C) Acero Concreto Mampostería de ladrillo Mampostería de piedra Aluminio 0.0000120 0.0000143 0.0000055 0.0000063 0.0000231 es el cambio total en la curvatura de un miembro al cambiar su gradiente medio de temperatura de un valor a un valor , incremento del gradiente medio de temperatura, es decir, diferencia de temperaturas entre dos caras opuestas del miembro estructural, dividida entre la distancia entre dichas caras. En el caso de elementos estructurales expuestos directamente a la intemperie, para establecer los valores de y podrán aplicarse los criterios expuestos en la Tabla 6.4. 27 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES Tabla 6.4 Criterios para determ determinar inar los incrementos de temper temperatura atura y gradiente de temperatura medios para elementos estructurales expuestos directamente a la intemperie Espesor del elemento, cm, CASO I Todas las caras expuestas al medio ambiente, pero ninguna recibe directamente los rayos solares Incremento de temperatura media, Incremento de gradiente medio de temperatura, ΔG21 10 ± 1.2 50 ≥ ± 0.36 0 10 50 Interpolar linealmente entre los valores anteriores 0 10 Cara expuesta blanca: ± 50 Cara expuesta de color: ± Cara expuesta blanca: ± ≤ ≤ II Todas las caras expuestas al medio ambiente; cuando menos una recibe directamente los rayos solares (sin estar protegida al menos por un enladrillado) ≤ ≤ ≥ 1.5 2.0 0.45 0 / 0.3 / Cara expuesta de color: ± Interpolar linealmente entre los valores anteriores 0.60 10 50 ≤ ≤ donde temperaturaa en el sitio de la obra. Pued Puedee variación máxima anual de temperatur considerarse igual a la temperatura máxima del mes más caluroso menos la temperatura mínima del mes más frío, las que pueden obtenerse de mapas de isotermas, i sotermas, como los presentados en la siguiente dirección: http://www.igeograf.unam.mx/instituto/publicaciones/atlas/tempext.jpg excentricidad espesor del elemento incremento de temperatura media incremento del gradiente medio de temperatu temperatura ra 6.2.3 Efectos de contracción por fraguado Los provocados efectos de contracción pordefraguado en estructuras de concreto deberán los por cambios temperatura. Las dimensiones máximas ensumarse planta sea limitarán, de manera que los esfuerzos causados en cualquier elemento vertical por las 28 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES deformaciones debidas a cambios de temperatura y a contracción por fraguado no excedan el por ciento de los debidos a las cargas gravitacionales. 50 En elementos de concreto reforzado, la contracción unitaria puede estimarse conservadoramente conservadoramen te de acuerdo con la Tabla 6.5 o mediante un análisis detallado, acorde con la Tabla 6.6. Tabla 6.5 Contracción unita unitaria ria aproximada en elemento elementoss de concreto reforzado Clima Húmedo Contracción unitaria 0.00015 Moderado 0.00035 Seco 0.00050 Cuando una estructura hiperestática se ve sujeta a asentamientos diferenciales de sus apoyos, se inducen en ella fuerzas internas que pueden ser de importancia. Casi siempre los asentamientos diferenciales se presentan en forma relativamente lenta, por lo que para evaluar sus efectos en estructuras de concreto deben considerarse módulos de elasticidad bajos, que tomen en cuenta los efectos de flujo plástico en dicho material. Algunos materiales, tales como el concreto, algunos tipos de mampostería y la madera, pueden estar sujetos al fenómeno de contracción por pérdida de humedad, el cual es función del tiempo y tiende a estabilizarse cuando éste crece. Debido a este fenómeno, los materiales citados disminuyen su volumen en ciertas condiciones, independientemente de la ocurrencia de descensos de temperatura y de la acción de fuerzas externas. En estructuras de concreto, los efectos de la contracción son a veces más importantes que los debidos a las variaciones de temperatura. La deformación unitaria del concreto simple debida al fenómeno de contracción puede variar en un intervalo muy amplio, de acuerdo con el tipo de concreto. Se citan valores comprendidos entre hasta . 0.0002 0.001 La contracción tiende a producir esfuerzos, debido a las restricciones usualmente impuestas a la deformación de los elementos estructurales. Si éstos pudieran deformarse libremente, la contracción no produciría ni esfuerzos ni agrietamientos. Una distribución no uniforme del refuerzo en un elemento de concreto induce la presencia de curvaturas asociadas con contracciones diferenciales. Esto se debe a que las varillas restringen la contracción en puntos próximos a ellas. 29 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES Tabla 6.6 Estimación de la contr contracción acción unitaria en elementos de concreto ELEMENTO ESTRUCTURAL Elemento de concreto simple, cuyas caras están expuestas sensiblemente a las mismas condiciones atmosféricas CONTRACCIÓN UNITARIA CURVATURA -- Pavimentos de concreto simple, con cara inferior en contacto conde el espesor suelo, que, puede estar húmedo la mayor parte del tiempo Elementos reforzados con caras expuestas sensible- mente a las mismas condiciones atmosféricas 0.5 1 0.16 10.02 ’ 30 0.32 U ’ 30 1 0.0.55 K H 10.02 0 0.5.5 0.2255∗. B es una función de que corrige por la contracción en función del área expuesta del elemento y de la humedad ambiente, según se muestra en la figura anexa; r es el revenimiento en centímetros; 2/, C y están dados f 2 * en la tabla anexa, según el nivel de exposición a la humedad Exposición Muy húmeda Seca -0.0001 En el agua Humedad moderada B2 Humedad relativa 90 % 70% 40% 1.6 30. 0 1.2 5.0 0.8 1.5 0.4 1.05 0.00015 0.0002 0.0004 0.90 0.75 0.70 t (cm) 5 1.0 Notación área de la sección transversal área de acero de tensión de acero de compresión ′ área área del elemento peralte efectivo del elemento altura total del elemento α ( – ’’ )1/3 6.3 relación de módulos de elasticidad 100 A / A ’ / ’ 100 ρ perímetro de la sección en contacto con la a a U atmósfera contracción contracción unitaria Acciones dinámicas debidas a maquinaria y equipo Las recomendaciones presentadas en esta sección se complementan con las contenidas en el cap C2.1 sobre Diseño Estructural de Cimentaciones incluido en este manual. Los efectos dinámicos que resulten de la de operación de maquinaria y equipo deberán considerarse como acciones para el diseño estructuras que los alojen o que estén 30 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES próximas a ellos, debiendo revisarse las condiciones de seguridad, tanto con respecto a los estados límite de capacidad última como a los de servicio. En particular, para estructuras que sirvan de apoyo o de cimentación a una máquina, se incluirá como estado límite de servicio cualquier comportamiento estructural que impida o limite el correcto funcionamiento de esta última. 6.3.1 Vibraciones de maquinaria Toda maquinaria en operación produce vibraciones que son transmitidas a su estructura de soporte, a la cimentación sobre la que está desplantada y al terreno vecino. Para fines de diseño estructural, estas variaciones pueden clasificarse como sigue, de acuerdo con su duración: a) Vibraciones transitorias. Debidas principalmente a fenómenos de tipo impulsivo, como los que se presentan en la operación normal de máquinas de impacto, tales como martillos mecánicos, así como en el inicio, término y cambios de régimen de operación de máquinas rotatorias y reciprocantes. b) Vibraciones estacionarias. Producidas por fenómenos de carácter repetitivo, como los que ocurren en la operación normal de máquinas rotatorias y reciprocantes. Estas vibraciones pueden clasificarse, según la velocidad de operación de la máquina, en las de baja y de alta frecuencia. Los criterios de diseño estructural y las acciones (fuerzas perturbadoras) perturbadoras) que se adopten para realizarlo dependerán del tipo de vibración producida por la maquinaria. 6.3.2 Evaluación de acciones de diseño Para considerar en el diseño estructural las acciones resultantes de los l os efectos dinámicos de maquinaria y equipo deberán tomarse en cuenta los criterios establecidos por los fabricantes, que ellos están orientados lograr unCuando funcionamiento adecuado y a minimizar losyaefectos inducidos sobre otrosasistemas. no se cuente con tales criterios o estos sean incompletos o insatisfactorios, deberán adoptarse otros, basados en modelos analíticos o experimentales capaces de conducir a estimaciones confiables de las características de las acciones sobre los sistemas vecinos, sobre la interacción entre estos y el equipo, y sobre el funcionamiento de éste último. a) Máquinas de impacto. En general, para determinar las acciones de diseño para máquinas de impacto se requiere emplear conceptos sobre impulso, momentum y choque inelástico. Su aplicación precisa el empleo de información sobre los coeficientes de amortiguamiento de la estructura y el terreno. Si estos son suficientemente elevados para disipar la energía de un impacto antes de que se presente el siguiente, es aceptable estimar la respuesta del sistema por medio de un análisis estático, multiplicando el peso total de la maquinaria por un factor de impacto. 31 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES Para fines de evaluar las acciones producidas por este tipo de máquinas es necesario contar con la siguiente información: Peso de la cabeza que golpea Peso y dimensiones del yunque Arreglo de pernos de anclaje del yunque Altura de caída (en martillos de caída libre) Rebote Además, en los martillos de aire y vapor se requiere conocer lo siguiente: Carrera del émbolo Presión media del émbolo Área del émbolo Energía de impacto b) Máquinas reciprocantes. Las máquinas reciprocantes producen en general vibraciones estacionarias de baja frecuencia. En ellas las acciones perturbadoras son fuerzas de inercia producidas por los movimientos de traslación de los émbolos, de rotación de las manivelas y del movimiento plano de las bielas. Para evaluar tales acciones se requiere conocer lo siguiente: Peso de las partes fijas Peso y dimensiones de las partes móviles Velocidad de operación Geometría del cigüeñal Orden de encendido de los cilindros Las estructuras de soporte para estas máquinas deben diseñarse de manera que sus frecuencias de vibración no coincidan con las de operación de la maquinaria. c) Máquinas rotatorias. Las máquinas rotatorias producen vibraciones estacionarias de alta frecuencia. Las acciones perturbadoras que originan son debidas principalmente a excentricidades accidentales en el rotor, que dan lugar a fuerzas centrífugas durante la operación normal. Además, en los procesos de arranque y frenado se generan fuerzas dinámicas de carácter transitorio, como consecuencia de las variaciones de velocidad de rotación de la máquina; la duración de dichas fuerzas puede ser suficientemente larga para poder provocar fenómenos de resonancia. En el caso de turbogeneradores, el paro súbito de operación debido a fallas accidentales mecánicas o eléctricas puede ocasionar acciones dinámicas importantes, que en ocasiones pueden determinar los requisitos de diseño. Como en el caso de máquinas reciprocantes, al diseñar la estructura de soporte de una máquina rotatoria debe evitarse que las frecuencias de vibración del sistema de cimentación coincidan con las de operación de la máquina. 32 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 6.3.3 Acciones dinámicas dinámicas en turbogenerad turbogeneradores ores Para el diseño de la estructura de soporte de un turbogenerador, puede optarse por un análisis estático o uno dinámico. En el primer caso, las acciones que deben considerarse debidas a la operación son las siguientes: a) Par normal del generador (Mg ). Se aplica en la dirección de rotación de la máquina, como un par de fuerzas verticales sobre las placas de asiento en las trabes longitudinales de soporte del generador. Su valor está dado por , 16 162 (6.3) donde par normal del generador, en N·m par normal del generador, en kg·m potencia del generador, en kw velocidad de operación de la máquina, en Hz ′ b) Par normal de la turbina ( ). Se aplica en dirección opuesta a la rotación del eje. En turbinas de baja presión, se resuelve como un par de fuerzas verticales, dividiendo su valor entre la distancia centro a centro de las placas de asiento en las trabes longitudinales. En turbinas de alta presión, este par se aplica sobre las placas de asiento de las trabes transversales, consideran considerando do una distribución triangular. El par normal de turbina está dado por , 16 162 (6.4) donde par normal de turbina, en N·m par normal turbina, en kg·m potencia transmitida por cada turbina al eje, en kw velocidad de operación de la máquina, en Hz ′ c) Par de corto circuito del generador ( ). Este par debe considerarse actuando tanto en la dirección de rotación del eje como en la opuesta. Excepto cuando el fabricante especifique otro valor, éste se estima como diez veces el valor del par normal del generador, es decir 10 (6.5) donde par de corto circuito del generador d) Accidente dinámico de turbina. Esta condición accidental se presenta al romperse un álabe en una turbina de baja presión. Su valor debe ser determinado 33 33 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES mediante un análisis dinámico, cuando se cuenta con el modelo del rotor proporcionado por el fabricante. En caso contrario, puede emplearse una aproximación de fuerzas estáticas. Las acciones anteriores no deben analizarse aisladamente, sino de acuerdo con las siguientes combinaciones: Condición de operación 1.4 1.5 1.3 1.7 donde carga muerta de estructura y maquinaria, en N carga de vacío, en N par normal del generador, en N∙m par normal de turbina, en N∙m cargas debidas a tuberías efectos térmicos efectos de expansión, contracciónen N cargas de Condición de corto circuito en el generador donde el par de corto circuito, , se considera diez veces el normal del rotor. Condición de accidente dinámico en la turbina donde arga de accidente dinámico en turbina, en N Al evaluar los resultados de un análisis estático, deberá verificarse que los desplazamientos relativos obtenidos en los soportes satisfagan los criterios de deformaciones proporcionados por el fabricante, ya que con ello se garantiza el alineamiento del eje del turbogenerador para una operación satisfactoria. Si para el diseño de la estructura de soporte se opta por un análisis dinámico, se considerará que el sistema máquina-cimentación estará sujeto a vibraciones estacionarias provocadas por la acción de una fuerza desbalanceada que varía en forma senoidal en el tiempo. La amplitud y frecuencia de esta fuerza dependen de la condición que se considere; sus puntos de aplicación deben ser dados por el fabricante. En condiciones de operación normal, la frecuencia de la fuerza desbalanceada se toma igual a la frecuencia de operación de la máquina, y su amplitud estará dada por 34 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES (6.6) donde amplitud de la fuerza desbalanceada, en N del rotor,en enm N peso excentricidad, aceleración de la gravedad 9.81 m/s velocidad de operación de la máquina, en Hz El producto deberá ser proporcionado por el fabricante en su modelo del rotor. 2 En condiciones de arranque y frenado, también se considera un estado de vibraciones estacionarias, ya que la máquina toma varias horas para alcanzar su velocidad normal de operación iniciando desde cero y viceversa. La amplitud de la fuerza desbalanceada se estima con la misma fórmula que en condiciones normales, pero se consideran varias frecuencias excitadoras, las cuales corresponden a las frecuencias naturales de respuesta calculadas para el sistema de cimentación, desde la primera hasta un % mayor que la frecuencia normal de operación de la máquina. 10 En condiciones de emergencia, la amplitud de la fuerza excitadora se obtendrá empleando en la fórmula presentada arriba el valor de de emergencia, dado por el fabricante. Se considerarán como frecuencias excitadoras todas las naturales de respuesta del sistema, menores que la frecuencia de operación normal de la máquina. Al evaluar los resultados de un análisis dinámico, se recomiendan las siguientes fórmulas para estimar el desplazamiento permisible: En condiciones normales: 60 (6.7) En condiciones de arranque y frenado: 180 0 (6.8) donde desplazamiento permisible excentricidad, igual a ∑ / ∑ desbalance total normal peso total de rotores, ende N rotores frecuencia de operación de la máquina, en Hz frecuencia de resonancia del sistema, en Hz 35 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES En condiciones de emergencia, sólo los valores de fuerzas y momentos obtenidos son significativos. Estos deben tomarse en cuenta en el diseño final de los elementos estructurales. No deben considerarse los desplazamientos dada esta condición. Los principales problemas que pueden ocasionar las vibraciones inducidas por maquinaria en operación son de los tipos descritos a continuación: a) Efectos de impacto o incremento dinámico de las cargas. Las solicitaciones estáticas debidas a las cargas gravitacionales que actúan sobre una estructura (cargas muertas y vivas) pueden incrementar su valor considerablemente, como consecuencia de las fuerzas de inercia causadas por la vibración de la estructura. Aun cuando las vibraciones no se generen en la estructura misma, las que llegan a ella a través del suelo pueden ocasionar efectos de impacto sobre diferentes elementos estructurales, como vigas y losas. b) Incremento dinámico de los desplazamientos. En elementos no estructurales, como objetos decorativos, muros divisorios, instalaciones de plomería, de acondicionamiento de aire, y en otros tipos de tuberías y elementos flexibles, el efecto más importante de las vibraciones de la estructura no es el incremento inercial de las cargas, ya que estos elementos son generalmente ligeros, sino la amplificación dinámica de sus desplazamientos y deformaciones. Esto resulta de la flexibilidad de dichas instalaciones, la cual es mucho mayor que la de los elementos estructurales a los que están ligadas. El incremento dinámico de los desplazamientos, que se presenta en la forma de amplitudes excesivas de vibración, puede dar origen principalmente a los tipos de falla que aparecen a continuación: Rotura de las conexiones de las instalaciones citadas, principalmente donde se encuentran unidas a elementos estructurales más rígidos. Fatiga del material de algunas secciones de las instalaciones citadas o de los elementos que les sirven de liga con la estructura. Daños locales del material de relleno (yeso, cemento, etc.) en las uniones entre la estructura y los elementos decorativos o divisorios, no estructurales. Colapso de elementos decorativos o divisorios. Fractura de elementos frágiles, como recubrimientos de muros y vidrios de ventanas. Agrietamientos en juntas de construcción o de dilatación y en impermeabilizantes de azoteas. Mal funcionamiento de los mecanismos de accionamiento de instalaciones tales como elevadores, compuertas, válvulas, etc. c) Daños en la misma maquinaria o en equipo delicado alojado en la estructura. A veces, la vibración de una estructura que soporta maquinaria en operación puede producir daños en la misma maquinaria o en elementos flexibles conectados a ella. Este fenómeno generalmente se presenta en combinación con el incremento dinámico de los 36 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES desplazamientos citados anteriormente. En otras ocasiones, las vibraciones que llegan a una estructura pueden dañar equipo o instrumentos delicados (por ejemplo, relojes, barómetros, máquinas herramientas, etc.), o material frágil, alojados en la misma estructura. Por eso debe considerarse la posibilidad de que se presenten estos efectos, aun si las vibraciones son demasiado pequeñas para dañar elementos estructurales por efectos dede inercia, o elementos no estructurales e instalaciones especiales por amplitudes excesivas vibración. 6.3.4 Protección de las estructuras contra vibraciones La maquinaria en operación colocada en una estructura o en su vecindad puede inducir vibraciones capaces de poner en peligro la estabilidad de la estructura o causar daños en los elementos estructurales o decorativos, en las instalaciones y equipo delicado contenido en la misma estructura. Estos posibles efectos nocivos deben ser tomados en cuenta en el diseño; deberá intentarse minimizarlos mediante algunos de los procedimientos siguientes o alguna combinación de ellos: Reducción ende la la fuente Aislamientodeo vibraciones impedimento propagación de las vibraciones Modificación de las características dinámicas de la estructura o de los elementos asociados a ella. Existen muchos métodos para proteger estructuras contra las vibraciones inducidas por maquinaria en operación. Sin embargo, todos ellos pueden clasificarse en alguno de los tres tipos mencionados en el párrafo anterior: a) Reducción de las vibraciones en la fuente. En algunos tipos de máquinas, como martillos, troqueles, prensas, piloteadoras, etc., este método de protección resulta inaplicable, pues dada la función que tienen necesariamente deben provocar vibraciones intensas. En las máquinas que operan en régimen estacionario, sí son aplicables los métodos de reducción de vibraciones en la fuente. Así, en máquinas reciprocantes, cuyo movimiento, debido generalmente a la expansión de un gas, se logra a través de un conjunto de émbolos, bielas y manivelas, la vibración se debe principalmente a las fuerzas de inercia originadas por los cambios de aceleración en el movimiento de los diferentes elementos de la propia máquina; a saber, movimiento armónico de los émbolos, movimiento plano de las bielas y movimiento de rotación de las manivelas y el volante. Otra causa de vibración en las máquinas reciprocantes proviene de las excentricidades accidentales en las flechas y en las chumaceras, debidas a defectos de maquinado, falta de homogeneidad del material, errores de alineación o deformaciones estáticas y dinámicas del mismo material. 37 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES Los estudios estadísticos efectuados en otros países sobre observaciones de este tipo de vibraciones proporcionan información para decidir cuándo la vibración medida en los apoyos de una máquina es excesiva o aceptable. b) Aislamiento de las vibraciones. Cuando no es posible reducir las vibraciones en su origen o cuando siguenorientados siendo inaceptables pesar devibraciones su reducción, debena aplicarse métodos o procedimientos a impedir aque tales lleguen la estructura o a los elementos que se intenta proteger. Esto se puede lograr por alguno de los métodos siguientes Acciones preventivas. Para fines de estimar en forma aproximada el efecto de vibraciones que una máquina desplantada sobre el terreno puede causar en estructuras vecinas, se presenta la siguiente información: ‐ Máquinas de impacto (martillos, piloteadoras, prensas, troqueles, etc.) Peso de la cabeza que golpea Distancia a la que afecta la < 20 kN 20 a 100 kN vibración 25 m 60 m ‐ Máquinas de régimen estacionario De alta velocidad: N > 8.3Hz (Motores eléctricos, bombas centrífugas, turbinas) Causan vibraciones que pueden ser objetables en elementos estructurales adyacentes, como vigas, columnas, losas, etc. De velocidad media: 0.8 < N < 8.3 Hz (Máquinas reciprocantes, compresoras) Vibraciones objetables en es‐ tructuras en un radio de 300 m De baja velocidad: N < 50 rpm (molinos de vapor, prensas rotatorias) No son objetables para edificios vecinos Creación de discontinuidades en la trayectoria de las ondas vibratorias. Una forma de protección contra las vibraciones propagadas por el terreno consiste en crear discontinuidades en el medio, utilizando trincheras y pantallas, para impedir el paso de las ondas o alargar el camino que deben recorrer. Esto último reduce su intensidad, debido a la disipación de energía durante la propagación a través del terreno. En el caso de maquinaria colocada en la estructura, puede convenir realizar juntas de construcción, rellenas de un material absorbente, como corcho, fieltro o hule espuma, que restrinjan la propagación de las ondas. 38 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES La maquinaria situada en la planta baja de un edificio deberá tener una cimentación separada de la del segundo. Además, en el caso de estructuras metálicas, conviene colocar una capa de material absorbente de vibraciones (por ejemplo, neopreno) entre la base de las columnas y la cimentación, a fin de que no se transmitan a las columnas a través de los anclajes de las mismas. Amortiguamiento de la vibración transmitida. Los conceptos relativos al amortiguamiento de las vibraciones que una máquina induce en el terreno o en la estructura en la que se apoya se basan en estudios sobre transmisibilidad. En las referencias 5 y 6 se presentan en detalle los procedimientos y criterios para determinar indicadores de esta variable en diversas condiciones, para distintos tipos de materiales. Absorción mecánica de la vibración. Un procedimiento para reducir la respuesta dinámica de una estructura sujeta a vibraciones inducidas en la misma por maquinaria en operación consiste en colocar en la primera una masa adicional, ligada a ella a través de un elemento flexible, de características tales que la energía que la máquina suministra a la estructura sea absorbida en su mayor parte por la vibración de dicha masa adicional. c) Modificación de las características dinámicas del sistema. Existen diversos procedimientos para modificar las propiedades dinámicas de la cimentación de una máquina, con objeto de reducir las vibraciones inducidas por la misma; por ejemplo, incrementando la masa de la base en que se desplante o introduciendo pilotes. También es posible modificar las características dinámicas de una estructura (masa, rigidez, amortiguamiento), con objeto de disminuir el efecto que puedan producir las vibraciones inducidas por maquinaria en operación en la misma estructura o en su vecindad. Conviene enfatizar la importancia de alejar las frecuencias naturales de vibración de la estructura, o de algunos de sus elementos en particular, de las frecuencias dominantes de operación de la maquinaria en cuestión. Para proteger contra la vibración a instrumentos delicados que se encuentren en una estructura sujeta a vibraciones, es importante también recurrir a estudios de transmisibilidad. Para casos en que se desplante maquinaria sobre una losa de entrepiso, conviene tener en cuenta lo siguiente: En el caso de máquinas pequeñas, basta revisar el análisis estático de la losa, agregando, como factor de impacto, la mitad del peso de la máquina. La vibración propia de la losa no afectará la operación de la máquina si el piso es rígido (con frecuencia fundamental de 15 a 20 Hz). En cualquier caso es conveniente colocar una capa de material absorbente de vibraciones. 39 C.1.2 ACCIONES C.1.2.6 EVALUACIÓN DE ACCIONES VARIABLES Entre las cargas que no se especifican cuantitativamente en el manual, se encuentran las producidas por impacto, a pesar de que más de una estructura ha sufrido colapso causado por este tipo de acción. La omisión obedece al deseo de preservar la sencillez del documento. Algunas formas de impacto provienen de la acción de maquinaria y son susceptibles a una cuantificación relativamente precisa. En esos casos puede hacerse un análisis dinámico de los efectos del impacto, incluyendo un estudio que reconozca la posibilidad de fatiga. Las referencias 3‐7 contienen información detallada sobre las acciones dinámicas de la maquinaria sobre sus cimentaciones o sobre las estructuras que las alojan, así como sobre los métodos de análisis para determinar las respuestas de estas últimas 40 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 7. EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES 7.1 Sismo La evaluación de las acciones sísmicas, así como las recomendaciones para el análisis y diseño sísmico, se presentan en el cap C.1.3 de este manual. 7.2 Viento La evaluación de las acciones de viento, así como las recomendaciones para el análisis y diseño por viento, se incluyen en el cap C.1.4 de este manual. 7.3 Lluvia 7.3.1 Cargas de lluvia Los sistemas de drenaje de azoteas y otros sistemas de piso o cubierta que puedan almacenar agua de lluvia deberán diseñarse de acuerdo con las recomendaciones pertinentes relativas a instalaciones hidráulicas. En casos en que pueda esperarse la ocurrencia de lluvias de gran intensidad, capaces de generar tirantes elevados de agua, deberá preverse la posibilidad de operación deficiente del sistema de drenaje, sea por mantenimiento inadecuado o por obstrucciones accidentales, diseñando los sistemas de piso o de cubierta expuestos a las cargas de agua resultantes para resistir cuando menos la mitad del tirante de agua correspondiente a un periodo de retorno de cincuenta años, pero no menor que N/m2; su acción no deberá añadirse a la correspondiente a carga viva. 2000 7.4 Nieve y granizo 7.4.1 Cargas de nieve y granizo Las azoteas y los sistemas de piso y cubierta expuestos a cargas de granizo deberán diseñarse para soportar las cargas determinadas como se indica en los párrafos que siguen. En la mayor parte de la República Mexicana, los intervalos de recurrencia para 41 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES acciones de nieve son bastante largos y, en general, no será necesario diseñar las construcciones para resistirlas. En localidades donde se estime necesario hacerlo, se aplicarán los lineamientos que se presentan en los siguientes párrafos, tomados de las Normas ASCE/SEI 7-10 (2010). Para definir las acciones debidas a nieve o granizo sobre distintos tipos de cubiertas, se partirá de wa0, definida como la carga sobre el terreno, por unidad de área, que corresponda a un periodo de recurrencia de cincuenta años. Para el caso de granizo, wa0 no se tomará menor que N/m2. Para el caso de nieve, el valor mínimo es de N/m2. 1200 250 Las cargas debidas a lluvia, nieve o granizo no deberán considerarse actuando simultáneamente entre ellas, ni con la carga viva sobre las cubiertas. a) Cubiertas planas. Para cubiertas planas con pendientes menores que carga por unidad de área, , se calculará como sigue 0.08, la 0.7 (7.1) donde valor nominal de la carga viva instantánea, N/m2 factor de importancia que debe tomarse igual a para construcciones que puedan albergar un gran número de personas, que posean contenidos muy valiosos o que tengan funciones esenciales de protección a la comunidad, o igual a para construcciones ordinarias. para cargas de granizo y factor de exposición al viento, que vale está dado en la Tabla 7.1 para cargas de nieve; carga sobre el terreno, por unidad de área, que corresponda a un periodo de recurrencia de cincuenta años, en N/m2 1.5 1.0 1.0 Tabla 7.1 Valores de , índice de exposición a la acción del viento Categoría de configuración de terreno B C D Sobre la línea de los árboles en zonas montañosas barridas por el viento Exposición de la cubierta Completamente Parcialmente expuesta expuesta 0.9 1.0 1.0 1.1 0.8 0.9 0.7 0.8 Protegida 1.2 1.1 1.0 No aplica Las categorías de configuración de terreno y de condición de exposición de cubierta se seleccionarán teniendo en cuenta los cambios previsibles durante la vida de la construcción. Deberá determinarse un factor de exposición para cada cubierta de la construcción. Categoría B. Áreas urbanas y suburbanas, áreas de bosque, o algún otro tipo de terreno con numerosas obstrucciones a cortas distancias, con dimensiones de casas unifamiliares o mayores. Este tipo de configuración debe prevalecer en la dirección de barlovento hasta distancias de al menos 42 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 800 m. Para construcciones cuya altura media de la cubierta es menor que 10 m, la distancia mencionada puede reducirse a 450 m. C. Se aplica a los casos no incluidos en en las categorías B o D. D. Áreas planas, sin obstrucciones y superficies superficies de agua fuera de las zonas expuestas a huracanes. Se incluyen zonas lisas de lodo, depósitos salados y hielo sin fracturas. Este tipo de formación debe prevalecer en la dirección de barlovento por una distancia mayor que m. Esta clase de exposición se extiende en áreas de tipos de terreno B o D en la dirección de sotavento hasta una distancia de m. Condición parcialmente expuesta. Todas las cubiertas, con excepción de las que se indican a continuación. Completamente expuesta. Cubiertas expuestas por todos lados, sin ninguna protección* proporcionada proporcionada por el terreno, construcciones más elevadas o árboles. Las cubiertas que contienen piezas grandes de equipo mecánico o parapetos que se extienden sobre la altura de la nieve ni eve correspondiente correspondiente a la carga simétrica uniformemente distribuida ( , o algunas otras obstrucciones, no corresponden a esta categoría. Protegidas. Cubiertas localizadas en forma apretada entre coníferas que puedan calificarse como obstrucciones. 1500 200 * Las obstrucciones a una distancia de proporcionan protección, donde h0 es la altura de la obstrucción sobre el nivel de la cubierta. Si las únicas obstrucciones son unos cuantos árboles caducifolios que permanecen sin hojas durante el invierno, se considerará la categoría de exposición completa. b) Cubiertas con pendientes. Para cubiertas con pendientes, las cargas de nieve o granizo calculadas se supondrán actuando sobre la proyección horizontal correspondiente; su valor, , se obtendrá multiplicando el que corresponde a cubierta plana por el factor de pendiente, (7.2) donde cargas de nieve o granizo supuestas actuando sobre la proyección horizontal correspondiente, N/m2 valor nominal de la carga viva instantánea, N/m2 depende de las características de la superficie de cubierta por lo que respecta a las restricciones que pueda oponer al deslizamiento de la nieve hacia fuera de la cubierta 1.0 para pendientes menores Para superficies lisas, sin obstáculos, se tomará igual a 0 que , y variará linealmente hasta cero para una pendiente igual a 0; para otras hasta una pendiente de 0, a partir de la superficies, el valor de se tomará igual a cual variará linealmente hasta cero para una pendiente igual a °. Los tramos de cubiertas curvas con pendientes mayores a 0 se considerarán libres de carga de nieve o granizo. Las distribuciones de carga simétrica se determinarán según se muestra en la Fig 7.1, con los valores de Cs determinados de acuerdo con el párrafo anterior. Para se cubiertas de dientes de sierra, placas dobladas múltiples o cañones múltiples, tomará igual a , sin ninguna reducción de carga debida a la pendiente. 5 1.0 1.0 70 75 75 30 43 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES Caso 1 - pendiente en aleros < Parte de cubierta donde C s (puede incluir la cubierta completa) completa) 30° wa C s* 0 Carga simétrica Cumbrera Alero Alero 2w C */C a Viento 0.5w s e a Carga asimétrica Alero 0 Alero Cumbrera Parte de cubierta donde 30° y 70° Caso 2 - pendiente en aleros entre Cs =1.0 wa C s** Carga simétrica 0 Alero Punto a ° Cumbrera Punto a 30 Viento 30° Alero 2w C **/C 2w C */C 0.5w a s a s e e a Carga asimétrica asimétrica 0 Alero Punto a 30° Cumbrera Punto a 30° Alero Parte de cubierta donde Caso 3 - pendiente en aleros > 70° Cs =1.0 wa C s* * Carga simétrica 0 Alero Punto a Punto a 70° 30° Cumbrera 30° Alero Punto a 70° 2w C **/C Punto a a Viento s e 0.5w a Carga asimétrica 0 Alero Punto a Punto a 30° 70° Cumbrera 30° Alero Punto a 70° Punto a * Úsese la pendiente en los aaleros leros para determinar Cs aquí ** Supóngase la pendiente a 30° 30° para determinar Cs aquí Distribución alternativa si sobresale otra cubierta Fig 7.1 Cargas simétrica simétricass y asimétricas pa para ra cubiertas curv curvas as (ASCE/SEI 77-10) 10) 44 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES c) Cargas parciales. Para investigar el efecto de considerar algunos de los claros sometidos a distribuciones simétricas de cargas de nieve o granizo y otros con distribuciones asimétricas, se procederá como sigue: Sistemas de vigas continuas En sistemas de vigas continuas se considerarán los efectos debidos a las l as tres condiciones de carga mostradas en la Fig 7.2. Completa Mitad * Caso 1 Completa Mitad * Caso 2 Completa Mitad Mitad * Caso 3 *Los apoyos izquierdos se muestran con trazo discontinuo, puesto que no existirían cuando se tiene un voladizo Fig 7.2 Diagramas de carga parc parcial ial para vigas continuas (ASCE/SEI 7-10) 45 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES Caso 1. Carga completa sobre un claro exterior y la mitad de dicha carga sobre el resto de los claros Caso 2. La mitad de la carga completa sobre un claro exterior y carga completa en los otros claros Caso 3. Todas las combinaciones posibles de carga completa sobre una pareja de claros adyacentes y la mitad de la carga completa sobre todos los demás claros. En este caso habrá (n – 1) combinaciones posibles, donde n es el número de claros en el sistema de viga continua. No es necesario aplicar los l os requisitos de cargas parciales en miembros estructurales con claros perpendiculares a la cumbrera en cubiertas de dos aguas con pendientes mayores de y / , donde es la distancia horizontal entre el alero y la cumbrera, en metros. 0.08 21.3 0.5 Otros sistemas estructurales Las manera áreas queque se supongan a la mitad de laen carga se seleccionarán de produzcansometidas los máximos efectos loscompleta miembros estructurales considerados. d) Distribuciones asimétricas de cargas de nieve. Los efectos de distribuciones simétricas y asimétricas de cargas de nieve se analizarán en forma separada. Se tomarán en cuenta todas las direcciones de viento necesarias para fines de establecer las distribuciones asimétricas de cargas. Distribuciones asimétricas de cargas de nieve sobre cubiertas piramidales y de dos aguas 7/12 30.2 o) o Para cubiertas piramidales y de dos aguas con una pendiente mayor que ( o ( menor que ), no se requerirá aplicar distribuciones asimétricas de cargas; 2.38 1/24 aquí, (en metros) es la distancia entre alero y cumbrera mostrada en la Fig 7.3. Las cubiertas donde sea menor que 6 m, con miembros prismáticos simplemente apoyados salvando el claro entre el alero y la cumbrera, serán diseñadas para resistir una carga con distribución asimétrica de nieve del lado de sotavento igual a . Para estos muros, el lado de barlovento se considerará sin carga. Para todas las demás cubiertas de dos aguas, la distribución asimétrica de carga consistirá en 0.3 del lado de barlovento y w del lado de sotavento, donde se añadirá una sobrecarga rectangular /√, extendida horizontalmente una longitud 8√/3 desde la de magnitud /√ cumbrera; donde γ es el peso volumétrico de la nieve, calculado de acuerdo con la ec 7.3 y la altura de acumulación, en metros, calculada como sigue 0.0737 48 4888 0.4572 (7.3) donde 46 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES lu es igual a la distancia en metros entre el alero y la cumbrera para la parte de la cubierta del lado de barlovento definida ar arriba riba expr expresada esada en Ne Newtons wtons por metro ccuadrado. uadrado. Si se expresa en kilogramos por metro cuadrado, la ec 7.2 se transforma en la siguiente: 48.8.8 0.4572 0.1310 48 (7.3a) 6.1 Al aplicar las ecs 7.3 y 7.3a, l no debe tomarse menor que m. En la Fig 7.3 se muestran distribuciones simétricas y asimétricas de cargas de nieve. u W 1 S wa Simétrica Asimétrica, W < m con sistema de vigas 6 I*wa 8h S 3 d Asimétrica, otra hd S 0.3w a wa wa Fig 7.3 Cargas simétrica simétricass y asimétricas en cubiertas piramidales y de dos aguas (ASCE/SEI 7-10) Distribuciones asimétricas de cargas de nieve sobre cubiertas curvas 70 se considerarán libres de cargas de nieve. Si la pendiente de una línea recta desde el alero (o el punto a 70 , si existe) a la corona es menor que 10 o mayor que 60 , no se tomarán en cuenta Las partes de cubiertas curvas con pendientes mayores que 0 distribuciones asimétricas de carga de nieve. 0 0 0 47 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES Las distribuciones asimétricas se determinarán de acuerdo con los diagramas de carga de la Fig 7.1. En todos los casos, el lado de barlovento se considerará libre de nieve. Si el terreno o alguna otra cubierta confina una cubierta curva de los casos II o III de la Fig 7.1, a una distancia del alero igual o menor que m, la carga de nieve no disminuirá 0 y el alero, sino que permanecerá constante, con un entre el punto con pendiente de valor igual al correspondiente al punto con pendiente de 0. Esta distribución se muestra con trazo punteado en la Fig 7.1. 0.9 30 30 Distribuciones asimétricas de cargas de nieve sobre cubiertas formadas por placas dobladas, dientes de sierra y bóvedas de cañón Se aplicarán distribuciones asimétricas de cargas de nieve a cubiertas formadas por placas dobladas, dientes de sierra y bóvedas de cañón con una pendiente mayor que o). De acuerdo con la sección 7.4.1b, para estos tipos de cubiertas y la ( carga uniforme de nieve es igual a . La distribución asimétrica de carga variará en forma creciente desde la mitad de la carga uniforme en la cumbrera ( ) a dos veces la carga especificada en la sección 7.4.1b dividida por Ce en el valle ( ). En la Fig 7.4 se presentan las distribuciones de cargas simétricas y asimétricas para cubiertas de 0.03 1.79 1.0 0.5 2 / dientes de sierra. Sin embargo, la superficie de nieve sobre el valle no estará a una elevación mayor que la de la nieve sobre la cumbrera. Las alturas de nieve se obtendrán dividiendo la carga de nieve entre el peso volumétrico calculado como se especifica para el caso de cubiertas de una y dos aguas, en esta misma sección 7.4.1d. Carga simétrica 0 Carga asimétrica 0 Fig 7.4 Cargas ssimétricas imétricas y asim asimétricas étricas de nieve para cubierta de diente de sierra (ASCE/SEI 7-10) 48 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Distribuciones asimétricas de cargas de nieve sobre domos o cúpulas Se aplicarán distribuciones asimétricas de cargas de nieve a domos o cúpulas y otras estructuras redondeadas similares. Al sector de 0, en planta, del lado de sotavento se le aplicarán cargas determinadas de la misma manera que se especifica para cubiertas curvas, en los párrafos anteriores de esta misma sección 7.4.1d. A partir de ambas orillas 0 de este sector, la carga decrecerá linealmente hasta cero a lo largo de sectores de 0 restantes del sector de barlovento. cada uno. No habrá carga de nieve en los 90 22.5 225 e) Distribuciones asimétricas de cargas de granizo. Para determinar posibles distribuciones asimétricas de cargas de granizo no es necesario tomar en cuenta la influencia del viento, como se hace para cargas de nieve. Sin embargo, se requiere considerar distribuciones asimétricas de carga sobre cubiertas de dientes de sierra, empleando los criterios especificados en el subinciso 7.4.2 para cargas de nieve. 7.4.2 Depósitos de nieve acumulados sobre cubiertas inferiores (sombra aerodinámica) Las cubiertas se diseñarán para soportar las acumulaciones locales de carga de nieve que se forman en la sombra aerodinámica de (1) partes superiores de la misma estructura (2) estructuras adyacentes y accidentes topográficos. a) Cubierta inferior de una estructura. La nieve que forma acumulaciones locales proviene de una cubierta superior o, con el viento de la dirección opuesta, de la cubierta donde se forma la acumulación. Estas dos clases de acumulaciones (de sotavento y de barlovento, respectivamente) se muestran en la Fig 7.5. La geometría de la carga adicional debida a la acumulación local se aproxima como un triángulo, según se señala en la Fig 7.6. Estas acumulaciones se añadirán a la carga proveniente de la distribución simétrica de carga de nieve. Si es menor que , no será necesario aplicar estas cargas adicionales. 0.2 / Acumulación de sotavento Viento Nieve: acumulación acumulaci ón de barlovento Fig 7.5 Acumulaciones fo formadas rmadas de los lados de barlovento y sotavento (ASCE/SEI 7-10) Para acumulaciones locales del lado de sotavento, la altura de la acumulación, , se determinará directamente de acuerdo con la ec 7.1, tomando igual a la longitud de la cubierta superior. Para acumulaciones del lado de barlovento, se calculará tomando en la ec 7.1 igual a la longitud de la cubierta inferior y haciendo igual a del valor dado por la ec 7.1. Para fines de diseño se tomará el valor de la mayor de estas dos alturas. Si dicho valor es menor o igual que , el ancho de la acumulación, , se 0.75 49 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES tomará igual a y su altura se tomará igual a . Sin embargo, el ancho no será mayor que . Si el valor calculado de es mayor que al ancho de la cubierta inferior, la acumulación de nieve se truncará en la orilla lejana de la cubierta sin reducirla a cero en dicho punto. La intensidad máxima de la sobrecarga debida a la acumulación, , es igual a , donde es el peso volumétrico de la nieve, dado por la ecuación siguiente: 8 4 3 (7.4) 0.426 22 2240 40, pero no menos que 4800 N/m ( 0.426 224, pero no menos que 489 kg/m ) (7.5) Este valor del peso volumétrico se empleará para determinar , dividiendo entre γ. 3 lu Sobrecarga debida a acumulación hc Pc hd Carga simétrica de nieve hb W Fig 7.6 Configuración d dee acumulaciones de nieve en cubiertas cubiertas inferiores (ASCE/SEI 7-10) b) Cubiertas adyacentes y accidentes topográficos. Los requisitos del subinciso 7.3.1 se emplearán también para calcular cargas debidas a la acumulación de nieve producidas por una construcción de mayor altura o por accidentes topográficos dentro de m a partir de una cubierta. La distancia de separación, , entre la cubierta y la construcción de mayor altura o el accidente topográfico reducirá las cargas debidas a la s acumulación de nieve en la cubierta inferior en proporción al factor , donde está en metros. 6 (6 – ) / 6 7.4.3 Otras condiciones de carga Proyecciones de cubiertas Los requisitos del subinciso 7.3.1 se emplearán también para calcular cargas debidas a la acumulación de nieve en todos los lados de las proyecciones de cubiertas y en los muros de parapetos. La altura de tales acumulaciones se tomará igual a del valor de dado por la ec 7.1, con igual a la longitud de la cubierta en la dirección de barlovento referida a la proyección o al muro de parapeto. Si el lado de una proyección de cubierta es menor que m, no se requiere considerar acumulación de nieve de ese lado. 5 0.75 50 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Deslizamientos de nieve La carga causada por nieve que desliza de una cubierta con pendiente a una cubierta inferior se determinará para cubiertas superiores resbalosas con pendientes mayores que y para otras (no resbalosas) cubiertas superiores superiores con pendientes mayores que . La carga total debida a deslizamiento por unidad de longitud (metro) del alero será , donde (en metros) es la distancia horizontal del alero a la cumbrera igual a para la cubierta superior con pendiente. La unidad en que se obtiene la carga total mencionada es la misma que se emplea para expresar La carga debida al deslizamiento se distribuirá uniformemente sobre la cubierta inferior sobre una distancia de m a partir del alero de la cubierta superior. Si el ancho de la cubierta inferior es menor que m, dicha carga se reducirá en forma proporcional. 1/6 1/48 4.3 5 5 No se realizarán reducciones adicionales de carga debida a deslizamientos de nieve o granizo a menos que una parte de dichos materiales sobre la cubierta superior se encuentre bloqueada para deslizarse sobre la cubierta inferior por nieve o granizo ya existente sobre la cubierta inferior o se espere que deslice fuera de la cubierta inferior. Las cargas debidasdea dichos deslizamientos de nieve o granizo se superpondrán a la carga uniforme simétrica materiales. Sobrecarga debida a lluvia sobre nieve o granizo 1000 N/m2 pero no nula, todas las cubiertas Para sitios donde es igual o menor que con pendientes menores que , con en metros, tendrán una sobrecarga de 2 N/m debida a carga de lluvia sobre nieve o granizo. Esta sobrecarga sólo se aplica a la condición de carga uniforme simétrica y no se requiere usar en combinación con las cargas de acumulación, deslizamiento, asimétricas o de cargas parciales. /15 250 Inestabilidad por estancamientos Las cubiertas se diseñarán de manera que eviten la inestabilidad por estancamiento. Para cubiertas con pendientes menores que , las deflexiones de la cubierta causadas por cargas completas de nieve o granizo se revisarán al determinar la posibilidad de inestabilidad por estancamiento debida a lluvia sobre nieve o granizo o por el agua debida a su fusión. 1/50 Cubiertas existentes Las cubiertas existentes deberán evaluarse para posibles incrementos en las cargas de nieve o granizo causadas por adiciones o modificaciones, teniendo en cuenta la posibilidad de construcción de una cubierta más elevada a una distancia menor que 6m 6m.. En esta sección se presentan recomendaciones aplicables a los en queASCE/SEI se considere conveniente realizar estudios detallados. Éstas están basadas en casos las Normas 7‐10 (ASCE (2010)). Dichas especificaciones proporcionan valores de cargas de nieve sobre el terreno para un periodo medio de recurrencia de 50 años. El valor de N/m2 que se propone 250 51 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES en el subinciso 7.4.1 es igual al que se especifica en las normas citadas para puntos con alturas mayores que 300 metros sobre el nivel del mar en la zona limítrofe del estado de California en Estados Unidos con el estado de Baja California en la República Mexicana. Esta carga es un poco mayor que la carga viva instantánea para cubiertas con más de 5 % de pendiente, en la cual se considera cierta acumulación de granizo; sin embargo, debido a la falta de datos estadísticos confiables, se recomienda añadir la carga de nieve propuesta al valor de la carga viva instantánea, . La carga básica de nieve (sobre el terreno) se modifica mediante coeficientes que dependen de la geometría de la cubierta, de su grado de exposición al viento, de la posibilidad de acumulación local de nieve y de la redistribución debida al deslizamiento. 30 Para cubiertas con pendientes mayores que 0 se permiten reducciones significativas de las cargas de nieve, como consecuencia del deslizamiento y de la facilidad de drenaje proporcionada por la inclinación. Si la cubierta está expuesta a vientos fuertes, los coeficientes de empuje pueden reducirse hasta en 30 por ciento, excepto en la zona de una cubierta que colinde con una construcción de mayor altura, pues en ese caso pueden producirse acumulaciones de nieve por deslizamientos de la cubierta de la construcción más elevada, así como por el material arrastrado por el viento. Se considerará que la cubierta está expuesta al viento en los casos en que no cuente con parapetos que impidan la acción de éste cuando la distancia entre construcciones adyacentes exceda de diez veces la diferencia de alturas. 7.5 Efectos de inundación i nundación 7.5.1 Consideraciones generales y definiciones Esta sección está basada en el cap 5 de las Normas ASCE/SEI 7-10 (ASCE (2010)), adaptadas para reconocer la falta de mapas de zonificación sobre niveles de peligro de inundación en diversas zonas de la República Mexicana. 1 Inundación básica. La que tiene una probabilidad de por ciento de ser excedida en un año dado cualquiera. Elevación de la inundación básica (EIB). Elevación de la inundación, incluyendo altura de ola, asociada a una probabilidad de por ciento de ser excedida en un año dado cualquiera. Muro sacrificable. Cualquier tipo de muro sujeto a inundación que no se requiere para soportar cargas en una edificación o alguna otra estructura, y que es diseñado y construido de manera que, bajo la acción de la inundación básica o condiciones 1 52 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES menores, fallará de manera de (1) permitir el paso libre de las aguas de inundación, y (2) no dañar la estructura ni la cimentación. Zona costera A. Área incluida en una zona especial de inundación, tierra adentro de una zona V (definida en el siguiente párrafo) o de una costa abierta sin mapas de zonas V. Para ser clasificada como zona costera A, la principal fuente de inundación debe ser mareas astronómicas, oleadas de tormentas, tsunamis o inundación no causada por ríos, con potencial para rompimiento de olas con alturas mayores a 50cm durante la inundación básica. Zona costera de alto peligro (Zona V). Área dentro de una zona especial de inundación, extendida desde fuera de la costa hasta el límite del lado de tierra de una duna frontal a lo largo de una costa abierta o cualquier otra área sujeta a la acción de olas de alta velocidad debidas a tormentas o fuentes sísmicas. Inundación de diseño. El mayor de los dos siguientes eventos: (1) la inundación básica o (2) la inundación correspondiente al área designada como Área de Peligro de Inundación (API) en un mapa aceptado oficialmente. Elevación de la Inundación de Diseño (EID). Elevación de la Inundación de Diseño, incluyendo la altura de la ola especificada en el API. Área de peligro de inundación. Área sujeta a inundación durante el evento de diseño. Área con peligro especial de inundación (APEI). en olamayor planicie expuesta a una probabilidad de inundación porÁrea ciento ende uninundación año dado cualquiera. 1 7.5.2 Requisitos de diseño a) Cargas de diseño. Los sistemas estructurales de edificios o de otras construcciones se diseñarán, construirán, conectarán y anclarán para resistir flotación, colapso y desplazamiento lateral permanente, debidos a la acción de cargas debidas a la inundación de diseño y a otras cargas de acuerdo con las combinaciones de diseño establecidas en el subcap 4. b) Erosión y abrasión. Los efectos de erosión y abrasión se incluirán en el cálculo de cargas en edificios y otras construcci construcciones ones en áreas con peligro de inundación. c) Cargas sobre muros sacrificables. Los muros y elementos divisorios sacrificables, de acuerdo con la definición del subinciso 7.5.1, incluyendo sus conexiones a la estructura, deberán diseñarse para la mayor de las siguientes acciones perpendiculares al plano del muro: La carga de sismo especificada en el cap C.1.3 de este manual La carga de viento especificada en el cap C.1.4 de este manual N/m2 500 La carga a la cual se intenta que se produzca el colapso de un muro sacrificable no será mayor que 2 1000 N/m , a menos que el diseño cumpla con las siguientes condiciones: 1. El muro está diseñado para sufrir colapso ante una inundación menor que la que se presenta durante la inundación básica. 53 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES 2. La cimentación y la parte elevada de la construcción están diseñados contra colapso, desplazamiento lateral permanente, y otro daño estructural debido a cargas de inundación en combinación con otras cargas, según se especifica en el subcap 4. 7.5.3 Cargas durante inundaciones a) Cargas básicas. En áreas con peligro de anegamiento, el diseño estructural estará basado en la inundación de diseño. b) Cargas hidrostáticas. Las cargas hidrostáticas causadas por un tirante de agua hasta el nivel EID se aplicarán sobre todas las superficies involucradas, excepto que para superficies expuestas a agua libre la profundidad de diseño se incrementará en cm. 30 Serán aplicables cargas reducidas de levantamiento y laterales sobre las superficies de espacios encerrados únicamente si se toman medidas para la entrada y salida de agua de inundación. c) Cargas hidrodinámicas. Los efectos dinámicos de agua en movimiento se determinarán por medio de un análisis detallado, empleando los conceptos básicos de la mecánica de fluidos. Excepción. En los casos en que las velocidades del agua no excedan de 3 m/s, los efectos dinámicos de agua en movimiento podrán ser transformados en cargas hidrostáticas equivalentes, incrementando el nivel EID para fines de diseño en una altura de sobrecarga por encima del nivel del terreno, únicamente del lado de aguas arriba, igual a 2 (7.6) donde velocidad promedio del agua, en m/s aceleración de la gravedad ( m/s2) coeficiente de arrastre o factor de forma (no menor que 1.25) 9.81 El tirante de sobrecarga equivalente se añadirá al nivel EID y las presiones hidrodinámicas resultantes serán aplicadas en forma uniformemente distribuida sobre la proyección vertical del área del edificio o la construcción perpendicular al flujo. Las superficies paralelas al flujo o las superficies mojadas por el agua de cola se considerarán sujetas únicamente a las presiones hidrostáticas para tirantes iguales al nivel EID. d) Cargas oleaje. Las de oleaje determinarán mediante alguno los siguientes tres de métodos: (1) cargas empleando los se métodos analíticos delineados endeesta sección, (2) mediante modelos numéricos más avanzados o (3) por medio de pruebas de laboratorio (modelación física). 54 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Las cargas de oleaje son las que resultan de olas que se propagan sobre la superficie del agua y que golpean un edificio o alguna otra construcción. El diseño y la ejecución de edificios y otras construcciones sujetas a cargas de oleaje tomarán en cuenta las siguientes cargas: olas rompiendo sobre cualquier parte del edificio o la construcción; fuerzas de levantamiento levantamiento causada causadass por olas de poca profundidad actuando debajo debajo de un edificio o alguna otra construcción o una parte de ellos; empuje de olas que golpee sobre cualquier parte del edificio o la construcción; fuerzas de inercia o de arrastre inducidas por el oleaje, y abrasión inducida por el oleaje sobre la base de un edificio o alguna otra construcción o sobre su cimentación. Las cargas de oleaje se considerarán tanto en las zonas A como en las V. En las zonas V, la altura de las olas se tomará igual a m o mayor; en llanuras de inundación costeras, tierra adentro de la zona V, las olas tienen menos de m de altura. 0.90 0.90 Las cargas debidas a olas no rompientes, y a las que han roto, se calcularán de acuerdo con los procedimientos mencionados en las secciones b) y c), que señalan como calcular cargas hidrostáticas e hidrodinámicas. Las cargas debidas a olas rompientes calcularán empleando los olas procedimientos establecidos en las secciones a) a c) deseeste inciso. Las alturas de rompientes empleadas según los procedimientos establecidos en dichas secciones se calcularán para las zonas costeras V y A empleando las ecs 7.7 y 7.8. 0.78 (7.7) donde altura de rompimiento de ola, en m altura local de agua en reposo, en m La altura local de agua en reposo se calculará empleando la ec 7.5, a menos que se empleen procedimientos o pruebas de laboratorio más avanzados, entre los permitidos en esta sección d) 0.65 – (7.8) donde elevación de llaa inundación de diseño, en m elevación del terreno, en m e) Cargas de olas rompientes sobre pilotes verticales y columnas. La fuerza neta resultante de una onda rompiente que actúa sobre un pilote vertical rígido o una columna rígida se supondrá actuando a la altura de las aguas en reposo y se calculará como sigue 0.152 ∙ ∙ (7.9) 55 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES donde fuerza neta de oleaje, en N N/m3 para agua peso volumétrico del agua, en N/m3, igual a dulce y N/m3 para agua salada para pilotes o coeficiente de arrastre para olas rompientes, igual a columnas redondas y para pilotes o columnas cuadrados diámetro de pilote o columna (m) para secciones circulares o veces el lado de la sección, para pilotes o columnas de sección cuadrada altura de rompimiento de la ola, en m 10 000 1.75 10 050 2.25 1.4 f) Cargas de olas rompientes sobre muros verticales, con incidencia normal. Los valores máximos de las presiones y las fuerzas netas resultantes de una ola incidente normalmente (con profundidad limitada en dimensión, con ) sobre un muro vertical rígido se calculará como sigue: 0.78 ∙ ∙ 1.2 2 ∙ 1.1 ∙ ∙ 2.4 4 ∙ (7.10) (7.11) donde leaje estática (primer término) y máxima presión combinada de ooleaje dinámica (segundo término), también designadas como presiones de choque, en N/m2 fuerza neta de onda rompiente, por metro lineal de la estructura, también designada como fuerza de choque, de impulso o de impacto de ola, en N/m , actuando cerca de la altura del agua en reposo. coeficiente de presión dinámica ( < Cp < ), dado en la Tabla 7.2. N/m3 para agua peso volumétrico del agua, en N/m3, igual a dulce y N/ m3 para agua salada dificio o cconstrucción onstrucción altura de agua en reposo (m) en la base del eedificio donde rompe la ola 3.5 1.6 10 050 10 000 Tabla 7.2 Valores del coeficiente de p presión resión dinámica dinámica,, Categoría de edificio I II III IV 1.6 2.8 3.2 3.5 Este procedimiento supone que el muro vertical causa una ola reflejada o estacionaria contra el lado de aguas arriba del muro, con la cresta de la ola hasta una altura igual a sobre el nivel de agua en reposo. En consecuencia, las distribuciones de las presiones estática, dinámica y total son como se muestra en la Fig 7.7. 1.2 56 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES Cresta de onda reflejada Presión dinámica 1.2 d Cresta de onda incidente s 0.55 d s Nivel de agua en reposo Presión hidrostática hidrostática ds Elevación del terreno terreno Fig 7.7 Cargas de o olas las rompientes contra muro vvertical ertical (el espacio atrás del muro está seco) (ASCE/SEI 7-10) Este procedimiento supone también que el espacio detrás del muro vertical está seco, sin ningún fluido que equilibre la componente estática de la fuerza de oleaje del lado exterior del muro. Si existe agua libre detrás del muro, una parte de la componente hidrostática de la presión y de la fuerza desaparecen (Fig 7.8) y la fuerza neta se calculará según la ec 7.9. La máxima presión combinada se sigue calculando de acuerdo con la ec 7.7. 9 ∙ 1.1 ∙ ∙ 1.9 (7.12) donde fuerza neta de onda rompiente, por metro lineal de la estructura, también designada como fuerza de choque, de impulso o de impacto de ola (N/m), actuando cerca de la altura del agua en reposo coeficiente de presión dinámica ( < < ), dado en la Tabla 7.2 1.6 3.5 10 000 peso volumétrico del agua, en N/m3, igual a N/m3 para agua 3 dulce y N/m para agua salada altura de agua en reposo (m) en la base del eedificio dificio o cconstrucción onstrucción donde rompe la ola 10 050 57 C.1.2 ACCIONES C.1.2.7 EVALUACIÓN DE ACCIONES ACCIDENTALES Muro Vertical Cresta de onda reflejada Presión dinámica 1.2 d Cresta de onda incidente s 0.55 d s Nivel de agua en reposo ds Presión hidrostática hid rostática neta Elevación del terreno Fig 7.8 Cargas de olas rrompientes ompientes contra mur muro o vertical (nivel de reposo de agua a ambos lados del muro) (ASCE/SEI 7-10) g) Cargas de olas rompientes sobre muros no verticales, con incidencia normal. Las fuerzas de olas rompientes dadas por las ecs 7.8 y 7.10 se modificarán en los casos en que los muros o las superficies sobre las que inciden las olas rompientes no sean verticales. La componente horizontal de la fuerza de la ola rompiente se tomará como ∙ ∙ (7.13) donde componente horizontal de la onda rompiente, en N/m fuerza neta de ola rompiente actuando sobre una superficie vertical, en N/m ángulo vertical entre la superficie no vertical y la horizontal, en grados h) Cargas de olas rompientes sobre muros verticales, con incidencia oblicua. Las fuerzas olas incidentes dadasoblicua. por las Dichas ecs 7.8 fuerzas y 7.10 se para los casosdeen querompientes las olas incidan en forma se modificarán calcularán como sigue 58 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES ∙ ∙ (7.14) donde ompiente co con n componente horizontal de la fuerza debida a una ola rrompiente incidencia oblicua, en N/m fuerza neta de ola rompiente, normalmente incidente, actuando sobre una superficie vertical, en N/m ángulo horizontal entre la superficie vertical y la dirección de llegada de la ola, en grados i) Cargas de impacto. Las cargas de impacto son las que resultan de desechos, hielo y cualquier objeto transportado por aguas de inundación, que golpean contra edificios o construcciones diversas o partes de ellas. Las cargas de impacto se determinarán empleando un procedimiento racional, como cargas concentradas actuando horizontalmente en la localización más crítica sobre o debajo del nivel EID. 7.6 Otras acciones accidentales Las líneas que siguen se refieren a explosiones, incendios y otras acciones que pueden ocurrir en casos excepcionales. En general no será necesario incluir sus efectos en el diseño formal, pero deberán tomarse precauciones en la estructuración y en los detalles constructivos para evitar comportamiento catastrófico catastrófico en caso de que se presenten tales acciones. En algunas construcciones el riesgo de explosión es significativo. En estos casos será necesario considerarlo explícitamente en el diseño, tomando como base datos de mediciones o estudios analíticos o experimentales sobre la naturaleza e intensidades de los procesos físicos que puede causar la explosión y sobre los métodos para evaluar sus efectos. 59 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 8. OTRAS ACCIONES Para acciones no incluidas específicamente en el manual, las intensidades de diseño deberán determinarse de acuerdo con los principios generales expuestos en el subcap 3 sobre Valores de Diseño. 61 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES 9. PRUEBAS DE CARGA Cuando exista duda en cuanto a la resistencia de la estructura ante las acciones de diseño o en relación con el cumplimiento de los procesos constructivos requeridos, será necesario comprobar su seguridad mediante pruebas de carga. También se requerirá realizar pruebas de carga en los siguientes casos: En edificios para espectáculos deportivos, salas de espectáculos, centros de reunión, clubes deportivos, y en todas las construcciones en que pueda ocurrir aglomeración frecuente de personas. Cuando no exista suficiente evidencia teórica o experimental para considerar que la seguridad de una estructura satisface el nivel de confiabilidad requerido. Previamente a la ejecución de la prueba de carga se deberá aprobar el procedimiento de ensaye y el tipo de información que se espera recabar de él. La carga de diseño se establecerá de manera de producir los efectos más desfavorables en la construcción. La prueba podrá realizarse sobre prototipos o modelos de la estructura que reproduzcan fielmente las condiciones reales, en particular las formas de apoyo y de aplicación de las cargas. El método de ensaye y los detalles correspondientes deberán definirse específicamente para cada caso de interés, teniendo en cuenta la necesidad de obtener información confiable para despejar las dudas que motivan la realización de la prueba. Para verificar la seguridad ante cargas permanentes, la carga de prueba se dejará actuando sobre la estructura cuando menos durante veinticuatro horas. Se considerará que la estructura ha fallado si ocurre el colapso, una falla local o un incremento local brusco de desplazamiento, deformación o curvatura de un elemento estructural o una sección de él. Si veinticuatro horas después de quitar la carga la estructura no muestra una recuperación mínima de setenta y cinco por ciento de las deformaciones que sufrió, se repetirá la prueba, esperando cuando menos setenta y dos horas a partir de la terminación de la primera. Se considerará la estructura ha fallado si después segunda la estructura no alcanza, enque veinticuatro horas, setenta y cinco de porla ciento deprueba las deformaciones debidas a dicha prueba. 63 C.1.2 ACCIONES C.1.2.9 PRUEBAS DE CARGA Si la estructura pasa la prueba, pero manifiesta daños tales como agrietamiento excesivo, deberá repararse localmente y reforzarse. El procedimiento para realizar pruebas de carga de pilotes se incluye en el cap C.2.1, correspondiente a Cimentaciones. No es posible establecer un método de aplicabilidad general para realizar una prueba de carga, ya que éste puede variar de acuerdo con las condiciones específicas que prevalezcan en cada prueba, tales como el tipo y forma de la estructura, los materiales, el tipo, la distribución y la intensidad de la carga, etc. No existen criterios uniformes en relación con las características de la carga que debe aplicarse en un ensayo: algunos reglamentos especifican que debe ser la carga viva de diseño más una parte de la carga muerta; otros recomiendan que se aplique la carga total de diseño. Este último conduce a conclusiones más confiables. Si después de la segunda prueba de carga un elemento horizontal no recupera el 75 por ciento de su deformación máxima, podrá considerarse que ha pasado la prueba de carga siempre y cuando la flecha máxima no exceda de 2 milímetros o de , donde L es el claro libre / 20 000 del miembro que se ensaya y h su peralte total, en las mismas unidades. En voladizos se tomará como el doble del claro libre. En caso de que la prueba no sea satisfactoria, deberán realizarse un estudio las modificaciones pertinentes; una vez realizadas éstas, se llevará a cabo una nueva prueba de carga. 64 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES‐CFE C.1.2 ACCIONES REFERENCIAS ASCE (2010) “American Society of Civil Engineers”. Minimum Design Loads for Buildings and other Structures, ASCE Standard ASCE/SEI 7-10. Barkan, D O (1962) “Dynamics of Bases and Foundations”, McGraw-H McGraw-Hill ill Book Co., Nueva York. CFE (1977) “Diseño de Cimentaciones para Maquinaria”. Instituto de Investigaciones Eléctricas, Comisión Federal de Electricidad, México. Harris, C y Crede, Ch, editors (1976) “Shock and Vibration Handbook”, McGraw-H McGraw-Hill ill Book Co., Nueva York. Makhult, M (1977) “Machine Support Design Based on Vibration Calculus”, Collet’s Publishers Ltd., Londres. NTC DF (2004) Gobierno del Distrito Federal, “Normas Técnicas Complementarias al Reglamento de Construcciones del Distrito Federal”, Criterios de Diseño y Acciones. Richart, F E, Hall, J R y Woods, R D (1970) “Vibrations of Soils and Foundations”, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, NJ. 65 CONTENIDO GENERAL DEL MANUAL Secciones de Hidrotecnia, Geotecnia y Estructuras 67 Tema 1 Capítulo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 SECCIÓN A - HIDROTECNIA Descripción Hidrología Consideraciones Consideraciones generales de hidrología Precipitación Escurrimiento 1 2 Pérdidas Relación entre precipitación y escurrimiento Análisis estadístico Tormentas de diseño Avenidas de diseño Tránsito de avenidas y simulación del funcionamiento de vasos de almacenamien almacenamiento to Pronóstico de avenidas Geohidrología Sistemas de información geográfica, con aplicación en hidrología e hidráulica Hidrología e hidráulica en cuencas pequeñas Hidráulica Consideraciones Consideraciones generales de hidráulica Planeación de sistemas de aprovechamiento hidroeléctrico 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Evaluación del impacto ambiental para la ejecución de proyectos hidroeléctricos Conducciones a presión Obra de toma para plantas hidroeléctricas Obra de toma y sistemas de enfriamiento para plantas termoeléctricas Máquinas hidráulicas Transitorios hidráulicos en conductos a presión Turbinas y análisis dinámico Escurrimiento a superficie libre Tránsito hidrológico e hidráulico, en cauces Obra de desvío Obra de excedencias Diseño de aireadores en estructuras vertedoras Hidráulica fluvial Sedimentación en embalses y desarenadores desarenadores Obras marítimas Terminales marítimas para recibo y manejo de combustibles Interacción mar - tierra Dragado Instrumentación hidráulica Técnicas experimentales de hidráulica Métodos numéricos de hidráulica Análisis de riesgo y confiabilidad en hidrología Evaluación de la seguridad hidráulica de las estructuras Rehabilitación hidráulica de las estructuras 2 69 Tema 1 Capítulo 1 2 3 Información geológica existente Obtención y análisis de información geológica Presentación de información geológica. 4 Estudios de peligro sísmico 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 1 2 3 4 5 6 7 8 Mecánica de Suelos Clasificación y caracterización de los depósitos de suelos Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades de los suelos y enrocamientos Pruebas de campo para determinar propiedades de los suelos y enrocamientos Comportamiento de suelos parcialmente saturados y aplicaciones Cimentaciones Cimentaciones en suelos Estructuras de retención Estabilidad de taludes en suelos, excavaciones y laderas Mejoramiento de suelos Flujo de agua en suelos Mecánica de rocas Pruebas de laboratorio de mecánica de rocas 1 2 3 4 5 Pruebas de campo de mecánica de rocas Caracterización de macizos rocosos Cimentaciones Cimentaciones en rocas Estabilidad y tratamientos de taludes rocosos Inyecciones en macizos rocosos Métodos de excavación en macizos rocosos Caracterización de geomateriales frontera Diseño de Presas Consideraciones Consideraciones generales de presas Presas de enrocamiento con núcleo de arcilla Presas de enrocamiento con cara de concreto Presas de enrocamiento con núcleo de asfalto Presas de jales 6 Presas de Hard Fill 1 2 3 Túneles y lumbreras en suelos Túneles y lumbreras en rocas Cavernas para casa de máquinas 4 5 SECCIÓN B - GEOTECNIA Descripción Geología 6 1 2 7 1 2 3 4 5 8 1 2 Túneles y lumbreras Control de calidad Control estadístico geotécnico de la construcción Análisis de riesgos y confiabilidad en geotecnia Instrumentación Consideraciones Consideraciones generales de instrumentación geotécnica Instrumentación geotécnica Instrumentación estructural Evaluación de la seguridad geotécnica de las estructuras Rehabilitación geotécnica de las estructuras Aplicaciones generales Criterios para la exploración y pruebas de campo y laboratorio en geotecnia Criterios para el empleo de métodos numéricos en la geotecnia 70 Tema 1 1 2 3 SECCIÓN C - ESTRUCTURAS Descripción Criterios generales de análisis y diseño Métodos de diseño para estructuras Acciones Diseño por sismo 4 5 Diseño por viento Análisis de estructuras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Diseño de Estructuras Especiales Diseño estructural de cimentaciones Diseño estructural de líneas de transmisión Diseño estructural de torres de enfriamiento Diseño estructural de tanques y depósitos Diseño estructural de tuberías Diseño estructural de chimeneas Diseño estructural de puentes Tópicos estructurales en obras hidráulicas Diseño de estructuras industriales Diseño estructural de subestaciones Capítulo 2 11 12 13 3 1 2 3 4 4 1 2 5 1 2 3 4 5 6 6 1 2 3 4 Diseño estructural de compuertas Diseño estructural de casa de máquinas Diseño estructural de túneles y lumbreras Monitoreo y control de respuestas estructurales Monitoreo de estructuras Diseño de estructuras con aislamiento de base Diseño de estructuras con disipadores de energía sísmica Análisis térmico en estructuras Evaluación de la seguridad y rehabilitación de estructuras Evaluación estructural de la seguridad de las estructuras existentes Rehabilitación estructural Materiales de construcción Fibras de acero, polipropileno, carbón y vidrio Concreto Concreto masivo compactado con rodillo Concreto autocompactable Concreto asfáltico Tecnología del concreto Diseño de presas de concreto o mampostería Consideraciones generales de presas rígidas Presas de gravedad (Convencional y concreto compactado con rodillo) Presas de arco Presas de machones
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