DISEÑO ESTRUCTURAL Y DISEÑO ESTRUCTURAL Y SISTEMA DE CARGASSISTEMA DE CARGAS

Clase No. 3Clase No. 3

PROCEDIMIENTOS DE DISEÑOPROCEDIMIENTOS DE DISEÑO

• El diseño estructural es un proceso individual donde el ingeniero y el arquitecto planificande conjunto el arreglo de espacios, vanos, accesos, altura de pisos, tamaño de loselementos, economía, resistencia adecuada y mantenimiento. En el proceso de diseño sedeben contemplar tres importantes fases:

11.. DefiniciónDefinición dede laslas prioridadesprioridades::

Una estructura es construida para llenar alguna necesidad. Los propietariosy el usuario deben estar al tanto de los atributos propuestos para laedificación como los requerimientos de funcionalidad, requerimientosestéticos y economía.estéticos y economía.

22.. DesarrolloDesarrollo deldel conceptoconcepto deldel proyectoproyecto::

De acuerdo a las necesidades del proyecto los primeros bosquejos oanteproyecto. El primer prediseño de todas las áreas de la ingeniería civilenvueltas en el proyecto debe ser trabajado.

33.. DiseñoDiseño finalfinal dede loslos sistemassistemas::

Una vez el concepto general ha sido desarrollado, el sistema estructuraldefinitivo puede ser calculado, con todos los elementos proporcionadospara resistir las cargas, los dibujos definitivos y la posibilidad de que laconstrucción pueda hacerse por métodos constructivos adecuados.

ESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURAESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURA

• Cuando una estructura o elemento estructural se convierte eninadecuada para su uso, se dice que ha alcanzado su estado límite.Los estados límites de diseño comúnmente usados son:

1.1. EstadoEstado límitelímite dede servicioservicio::

Cuando se interrumpe el servicio de la estructura. Presenta pocaprobabilidad de ocurrencia. Son criterios que gobiernan el usonormal y la durabilidad. Se puede llegar al mismo por medio de:normal y la durabilidad. Se puede llegar al mismo por medio de:

a) Deformaciones excesivas para el uso normal de la estructura, que conlleven a

fisuras prematuras y excesivas. Puede ser visualmente inaceptable y puede

causar daños en elementos no estructurales.

b) Desplazamientos excesivos aunque no impliquen pérdida de equilibrio.

c) Daños locales como corrosión y ataque químico a la estructura producido por

ambientes agresivos.

d) Vibraciones excesivas producidas por elementos móviles o cargas cíclicas.

e) Daño local evitable con la construcción de juntas de expansión y control o con la

disposición adecuada del refuerzo.

ESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURAESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURA

2.2. EstadoEstado límitelímite dede resistenciaresistencia oo estadoestado límitelímite últimoúltimo::Incluye el colapso de la estructura. Presenta muy pocaprobabilidad de que ocurra. Corresponden a la máximacapacidad portante. Se puede llegar a este estado cuando:

a) Las fuerzas mayoradas sean mayores que la resistencia de diseño de laestructura.

b) Perdida de equilibrio en algún sector o toda la estructura debido a la degradaciónb) Perdida de equilibrio en algún sector o toda la estructura debido a la degradaciónen la resistencia y rotura de algunos o la gran mayoría de los elementos, lo quepuede conducir al colapso de la estructura. En algunos casos un problema localmenor puede afectar elementos adyacentes y estos a su vez afectar sectores dela estructura que determinen el colapso parcial o total.

c) Transformación de la estructura en un mecanismo y la consiguiente inestabilidadque conlleve a cambios geométricos incompatibles con las hipótesis iniciales dediseño.

d) Falta de integridad debido a la ausencia de amarres adecuados entre losdiferentes elementos que conforman la estructura.

e) Fatiga en la estructura y fractura en elementos debido a ciclos repetitivos deesfuerzos por cargas de servicio.

ESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURAESTADO LIMITE DE UNA ESTRUCTURA

3.3. EstadosEstados especialesespeciales dede cargacarga::

Donde el daño y colapso de la estructura se incluyensimultáneamente.

Se puede llegar a estados límites especiales cuando hay daños o falladebido a condiciones anormales de carga, tales como:debido a condiciones anormales de carga, tales como:

a) Daño o colapso en sismos extremos.

b) Daños estructurales debido al fuego, explosiones o colisiones vehiculares.

c) Efectos estructurales de la corrosión y deterioro.

PROCEDIMIENTOS DE DISEÑOPROCEDIMIENTOS DE DISEÑO

1. Método de los Esfuerzos de Trabajo.Usa esfuerzos admisibles, por lo general con un factor de seguridad entre1.8 y 2.2. El esfuerzo último del concreto se multiplica por un factor quepuede ser menor o igual 0.45 para obtener el esfuerzo admisible dediseño, mientras que el esfuerzo de fluencia en el acero se multiplica por unfactor recomendado menor o igual a 0.55 para obtener el esfuerzoadmisible del acero. Bajo tales circunstancias, el factor de seguridad para elhormigón es mayor o igual a 2.2 y el del acero mayor o igual a 1.8. En estemétodo las cargas de diseño no se mayoran y presenta la inhabilidad paramétodo las cargas de diseño no se mayoran y presenta la inhabilidad paraconsiderar variaciones por tipo e intensidad de carga, así como variacionesen la resistencia de los materiales.

2.. MétodoMétodo dede lala ResistenciaResistencia..Usa factores independientes para cada carga y factores para la resistencianominal del elemento. Se debe diseñar de acuerdo al Estado Límite Último,pero chequear con el Estado Límite de Servicio. Dentro de sus beneficiosse cuenta que considera la variabilidad en las cargas y la resistencia de losmateriales.

CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO A LA CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO A LA ACCION SOBRE LA ESTRUCTURAACCION SOBRE LA ESTRUCTURA

• El termino CARGACARGA se refiere a la acción directa de una fuerza o unconjunto de fuerzas actuando sobre un elemento estructural. Semiden en unidades de fuerza (kg o T), en unidades defuerza/longitud (kg/m o T/m) y en unidades de fuerza/superficie(kg/m2 o T/m2).

TIPOS DE CARGAS ESTRUCTURALES:TIPOS DE CARGAS ESTRUCTURALES:

•• Cargas permanentesCargas permanentes

•• Cargas vivas o de usoCargas vivas o de uso

•• Cargas debidas a la influencia del medio ambienteCargas debidas a la influencia del medio ambiente

•• Cargas accidentalesCargas accidentales

CARGAS PERMANENTESCARGAS PERMANENTES

Las cargas permanentes actúan con una magnitud constante yuna posición fija durante todo la vida útil de la estructura. Seclasifican en:

1.1. Cargas muertas o gravitatorias: Cargas muertas o gravitatorias: Corresponden al peso propio de los elementos estructurales yademás, los elementos no estructurales unidos a la estructura, talescomo:como:vigas cielos rasos

columnas rellenos en pisos

dinteles acabados en general

losas otros

muros

ventanas

plomería

inst. eléctricas y sanitarias

CARGAS PERMANENTESCARGAS PERMANENTES

2.2. Cargas por empujes:Cargas por empujes:

Los empujes de suelos o agua en las paredes de los sótanos o losmuros de contención de suelos en zonas de grandes desniveles.

CARGAS VIVAS O DE USOCARGAS VIVAS O DE USO

• Son cargas nono permanentespermanentes producidasproducidas porpor materialesmateriales ooartículos,artículos, ee inclusiveinclusive porpor laslas personaspersonas enen constanteconstantemovimientomovimiento. Son producidas por el uso y ocupación de laedificación.

• Pueden estar aplicadas total o parcialmente o no estar presentes y • Pueden estar aplicadas total o parcialmente o no estar presentes y también es posible cambiarlas de ubicación.

• Son cargas variables en magnitud y posición, por ejemplo:

personal

mobiliario

empujes de cargas o almacenes

CARGAS VIVAS O DE USOCARGAS VIVAS O DE USO

• Usualmente estas cargas incluyen un margen para tener unaprotección contra deformaciones excesivas o sobrecargasrepentinas.

• Estas cargas están tabuladas en códigoscódigos locales,locales, estatalesestatales oonacionalesnacionales. Ademas de las cargas uniformes, algunos códigosespecifican cargascargas vivasvivas concentradasconcentradas mínimasmínimas, causadas porcarretillas, automóviles, etc.

• Para simplificar los cálculos las cargas vivas son expresadas comocargas uniformes aplicadas sobre el área de la edificación. Ej.:Vivienda 180kg/m2 Oficinas 200kg/m2Hoteles 200kg/m2 Bibliotecas 200-500kg/m2Escuelas 200kg/m2 Estadios 400-500kg/m2Garajes 250kg/m2 Almacenes 350-500kg/m2Escaleras 300kg/m2 Hospitales 200-400kg/m2

CARGAS DEBIDAS A LA INFLUENCIA DEL MEDIO CARGAS DEBIDAS A LA INFLUENCIA DEL MEDIO AMBIENTEAMBIENTE

A este grupo de cargas pertenecen las siguientes:

1.1. Cargas de vientoCargas de viento

2.2. Cargas de sismosCargas de sismos2.2. Cargas de sismosCargas de sismos

3.3. Cargas producidas por oleajes (no tsunamis)Cargas producidas por oleajes (no tsunamis)

4.4. Cargas térmicas Cargas térmicas

5.5. Cargas por efecto de la nieveCargas por efecto de la nieve

CARGAS DE VIENTOCARGAS DE VIENTO

El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad yvelocidad del aire, del ángulo de incidencia del viento, de la forma yde la rigidez de la estructura y de la rugosidad de la superficieterrestre. Son cargas dinámicas pero se hacen aproximacionesusando cargas estáticas equivalentes.

Se verifica por la acción de este sobre las superficies edificadas, queSe verifica por la acción de este sobre las superficies edificadas, quese traduce en una fuerza de empuje o succión, con escasaimportancia en las construcciones bajas, importantes en las altas ymuy importantes en las estructuras de bajo peso frente a susuperficie expuesta.

Eventos climáticos mas importantes con relación al viento:HURACANESHURACANES YY TORNADOSTORNADOS..

CARGAS DE VIENTOCARGAS DE VIENTO

TORNADO

FUERZA DE LOS VIENTOS EN UN HURACAN

Efectos del paso de un huracán

Pérdida de la estabilidad estructural ante el paso de un huracán

CARGAS DE SISMOSCARGAS DE SISMOS

Son cargas dinámicas que también pueden ser aproximadas a cargasestáticas equivalentes. Los sismos originan aceleraciones transmitidas porel terreno que al actuar sobre la masa se traducen en fuerzas. A mayormasa, mayor fuerza.

La acción del sismo puede tener cualquier dirección y provoca empujes(cargas) verticales y horizontales, pero en la practica se considera la masdesfavorable que es la horizontal.

CARGAS DE SISMOSCARGAS DE SISMOS

PERDIDA DE LA ESTABILIDAD ESTRUCTURAL A CAUSA DE UN SISMO

Consecuencias del reciente sismo en Chile

Consecuencias del terremoto de Haití. Palacio de Gobierno.

CARGAS PRODUCIDAS POR OLEAJESCARGAS PRODUCIDAS POR OLEAJES

De gran importancia en regiones costeras. Son también cargasdinámicas, pero su frecuencia es mas posible de determinar. Nose tienen en cuenta eventos tales como tsunamis.

Malecones, puentes, espigones portuarios, plataformas petroleras,entre otras edificaciones tienen que tener en cuenta la posibilidadde acción de este tipo de cargas.

Fuerza de las olas sobre el Malecón de La Habana

Olas sobre el Castillo del Morro, La Habana

Penetración del mar, Malecón de La Habana

CARGAS TERMICAS CARGAS TERMICAS

Todas las estructuras están sometidas a cambios de temperatura y varían deforma y dimensiones durante el ciclo de temperaturas diurnas y nocturnascomo en los ciclos de invierno y verano. No se consideran en este acápite lascargas producidas por incendios internos o externos a la estructura

Si no se permite que la estructura se dilate o se contraiga sin problemas, seintroducirán cargas adicionales que perjudicaran el comportamiento de lamisma.

Muchos códigos o reglamentos para el calculo de estructuras norman lasMuchos códigos o reglamentos para el calculo de estructuras norman lasdimensiones máximas de las edificaciones en cuanto a su dilatación, sobretodo en latitudes como la nuestra, donde la radiación solar es alta durante casitodo el año.

En edificaciones de muros de fabrica (bloques de mortero o ladrillos decerámica) esta longitud no debe sobrepasar los 30-35m. En estructurasprefabricadas de hormigón armado esta longitud alcanza los 72m.

Constructivamente,Constructivamente, elel resultadoresultado masmas importanteimportante dede considerarconsiderar laslascargascargas térmicastérmicas sonson laslas llamadasllamadas juntasjuntas dede dilatacióndilatación..

CARGAS TERMICASCARGAS TERMICAS

PERDIDA DE LA ESTABILIDAD ESTRUCTURAL POR FALTA DE JUNTA DE DILATACION SOLUCION DE JUNTA

DE DILATACIONSOLUCION DE JUNA DE DILATACION

CARGAS POR EFECTO DE LA NIEVECARGAS POR EFECTO DE LA NIEVE

AunqueAunque enen nuestranuestra latitudlatitud nono ocurrenocurren estosestos fenómenos,fenómenos, sonson dedeunauna tremendatremenda importanciaimportancia enen aquellosaquellos paísespaíses dondedonde estosestosfenómenosfenómenos naturalesnaturales ocurrenocurren..

Su acumulación origina cargas importantes sobre los techos y porconsecuencia en la cimentación.

La inclinación exagerada de los techos en estas regiones ocurre parareducir la nieve acumulada y con ello la carga.

CARGAS ACCIDENTALESCARGAS ACCIDENTALES

Dentro de este grupo de cargas se encuentran las que pudiesen actuaren algún momento sobre la estructura de la edificación sin haber sidoprevista, pero que dicha estructura debe ser capaz de asimilar para noperder su estabilidad. En algunos casos esto se torna imposible. Algunosejemplos:

1.1. ImpactosImpactosChoques producidos por vehículos, impactos de medios de fuego, explosiones Choques producidos por vehículos, impactos de medios de fuego, explosiones internas y externas, etc.

2.2. IncendiosIncendiosFuegos intencionales o no internos y externos. Si existe libertad de dilatación nose plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedidaen mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura,aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta.

3.3. OtrasOtras

CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO A LA CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO A LA FORMA DE DISTRIBUCIONFORMA DE DISTRIBUCION

1. DISTRIBUIDAS

SUPERFICIALESSUPERFICIALES

LINEALESLINEALESLINEALESLINEALES

2. CONCENTRADAS

CARGAS DISTRIBUIDASCARGAS DISTRIBUIDAS

1.1. SUPERFICIALESSUPERFICIALES

Es una carga que esta repartida en una superficie cuyo valor se expresa en unidades de fuerza sobre unidades de superficie. Representa la mayor parte de las cargas de un edificio, varia de 10kg/m2 en una cubierta liviana, hasta los 5T/m2 en el piso de un deposito, pasando por los 180kg/m2 del entrepiso de una casa o los 1300kg/m2 del piso de un edificio importante.

Es la que se considera para dimensionar las losasEs la que se considera para dimensionar las losas

CARGAS DISTRIBUIDASCARGAS DISTRIBUIDAS

2. 2. LINEALESLINEALES

Es la carga que esta repartida sobre una línea, generalmente la origina una superficie (losa) contigua que se apoya en esa línea (viga). Se expresa en kg/m o T/m.

Es la que se considera para el calculo de vigasEs la que se considera para el calculo de vigas

CARGAS CONCENTRADASCARGAS CONCENTRADAS

Son aquellas a las que se considera concentradas en un puntoinfinitesimal, algo realmente imposible en la practica.

En realidad, son cargas con un valor de concentración muy alto sobre unsector muy pequeño, en comparación con las descritas en el punto anterior

CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO AL CLASIFICACION DE LAS CARGAS DE ACUERDO AL TIEMPO DE APLICACIONTIEMPO DE APLICACION

1.1. ESTATICASESTATICAS

Se llaman así a las que son aplicadas lentamente y accionan por unperiodo prolongado. La mayoría de las cargas con las que se dimensionaen Arquitectura son de este tipo.en Arquitectura son de este tipo.

22.. DINAMICASDINAMICAS

Son las que su acción varia rápidamente en el tiempo. Si esta acciónfuese unitaria se consideraría como carga de impacto, en caso de hacerciclos a intervalos regulares, como en los casos de: compresores,vientos, sismos. No pueden ser manejadas por la estática, sino conmétodos aproximados, luego de un cuidadoso análisis del caso.