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Métodos de Diseño

Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile

Santiago, ChileOctubre de 2006

Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

CONTENIDOMétodos de Diseño

1. Introducción

2. Principios del diseño estructural

3. Filosofías de diseño

4. Cargas y combinaciones de carga

5. Métodos de análisis

1. Introducción

El Diseño Estructural es un proceso creativo basado en el conocimiento de los principios de

estática, dinámica, mecánica de sólidos y análisis estructural.

Producto es una estructura segura y económica que cumple su propósito (requisitos de diseño).

DISEÑOESTRUCTURAL

1. Introducción

• Resistencia.• Deformación máxima.• Estabilidad.• Vibraciones.• Costo mínimo.

– Peso mínimo.– Mano de obra requerida mínima.

• Tiempo de construcción mínimo.• Máxima facilidad de mantenimiento.• Máxima eficiencia de operación.

REQUISITOSDE DISEÑO

1. Introducción

1. Definición conceptual.

2. Definición de solicitaciones a considerar.

3. Estructuración.

4. Selección de elementos.

5. Análisis.

6. Evaluación.

7. Emisión de planos y especificaciones.

ETAPAS DEUN DISEÑO

1. Introducción

• Cargas muertas.• Cargas vivas estáticas.• Cargas vivas móviles.• Impacto.• Nieve.• Viento.• Sismos.• Lluvia.• Empuje de suelos.• Inundación.• Otros.

SOLICITACIONES


Modelos de carga Modelo estructural Modelos de resistencia

Análisis estructural

Compararrespuesta vs.

resistenciaNo cumple Cumple Fin

Revisar diseño

Proceso de diseño estructural

PROCESO DEDISEÑO


• Variabilidad de las solicitaciones– Cambio de uso– Estimación poco conservativa de las solicitaciones– Mala estimación de los efectos de las solicitaciones debido a

simplificaciones excesivas durante análisis– Diferencias en el proceso constructivo

INCERTEZASSOLICITACIONES

Q

Solicitaciones

Qc

Probabilidad de exceder Qc


• Variabilidad de la resistencia– Imperfecciones geométricas– Tensiones residuales– Variabilidad de la resistencia del material– Defectos en el proceso constructivo– Deterioro de resistencia con el tiempo– Aproximación en fórmula para determinar la resistencia

INCERTEZASRESISTENCIA

R

Resistencia

Rc

Probabilidad de tenerresistencia menor que Rc


• Diseño estructural debe proveer confiabilidad adecuada para el caso de solicitaciones mayores que las consideradas o baja resistencia

OBJETIVO DELDISEÑO

Q R

Qm Rm

Falla


Q R

Qm Rm

Qc

Rc

CONFIABILIDADESTRUCTURAL

Probabilidad de falla:

Falla

0ln10 Q

RPQRPQRP


ln(R/Q)

[ln(R/Q)]m

ln(R/Q)

0

INDICE DECONFIABILIDAD

22

ln

QR

mm

VV

QR

Índice de

Confiabilidad

Falla


• AISC-LRFD

INDICE DECONFIABILIDAD

Combinaciones de carga objetivo

Carga permanente + carga viva (o nieve) 3 para miembros

4.5 para uniones

Carga permanente + carga viva + viento 2.5 para miembros

Carga permanente + carga viva + sismo 1.75 para miembros


• Diseño por tensiones admisibles (tensiones de trabajo)– Cargas de servicio– Tensiones admisibles

• Diseño por estados límite– Estados límite últimos

• Resistencia última

– Estados límite de servicio• Deformaciones

• Vibraciones

METODOS DEDISEÑO


Método de Diseño por tensiones admisibles (ASD):

Asume la misma variabilidad para todas las solicitaciones ( = cte.)

Escrito en otro formato

in QR

QFS

RR nadm

TENSIONESADMISIBLES


Método de Diseño por factores de carga y resistencia (LRFD)

• Basado en:– Modelo probabilístico– Calibración con ASD– Evaluación de experiencias previas

uiin QQR

FACTORES DE CARGAY RESISTENCIA


• LRFD:– Es una herramienta disponible.– Más racional que ASD.– Permite cambios más fácilmente que ASD.– Puede ser adaptado para solicitaciones no

consideradas.– Permite compatibilizar diseños con distintos

materiales.

• ASD:– Aún se sigue utilizando como método de diseño– Rehabilitación/reparación de estructuras antiguas.

VENTAJASCOMPARATIVAS


• Especificaciones– SEI/ASCE 7-02: Minimum Design Loads for Buildings and Other

Structures:

• Reglamentos o códigos de construcción– Eurocode 1: “Basis of Design and Actions on Structures”.– Códigos nacionales o regionales.

NORMASY GUIAS


• Cargas muertas (D).• Cargas vivas estáticas (L, Lr).• Cargas vivas móviles (L).• Impacto (I).• Nieve (S).• Viento (W).• Sismos (E).• Lluvia (R).• Empuje de suelos (H).• Inundación (F).• Otros.

CARGAS


• Peso propio de la estructura.• Peso propio de las terminaciones de pisos y muros.• Peso de ductos y servicios.• Peso de tabiques.

CARGASMUERTAS

Losaestructural


Cargas vivas estáticas:• Sobrecargas de uso

– habitacional,– de oficinas,– de almacenamiento,– de estacionamiento

• Tráfico peatonal o vehicular– Cargas distribuidas– Cargas móviles

CARGASVIVAS


• Velocidad máxima vmax de viento esperada (en N años)– Localización geográfica– Irregularidad del terreno

• Presión básica q = q(vmax).

• Variación de la presión en altura.

• Modificación por– Dirección de incidencia– Inclinación de superficies

CARGASDE VIENTO

C2·q

C1·q

C3·q

C4·q

q(h)

Viento


• Método elástico estático

Q = Cs · W

CARGASSISMICAS

W1

M·a

Movimiento del suelo

W2

W1

Q1 + Q2 = Q

Cortante basal

W2

Q2

Q1


• Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02)1. 1.4(D + F)

2. 1.2(D + F + T ) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr or S or R)

3. 1.2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W)

4. 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R)

5. 1.2D + 1.0E + L + 0.2S

6. 0.9D + 1.6W + 1.6H

7. 0.9D + 1.0E + 1.6H

COMBOSDE CARGA


• Combinaciones de carga ASD (ASCE 7-02)– D + F– D + H + F + L + T– D + H + F + (Lr or S or R)– D + H + F + 0.75(L + T ) + 0.75(Lr or S or R)– D + H + F + (W or 0.7E)– D + H + F + 0.75(W or 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr or S or R)– 0.6D + W + H– 0.6D + 0.7E + H

COMBOSDE CARGA


• Método elástico– Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo.

– Miembros elásticos– Pequeñas deformaciones

METODOELÁSTICO

y

E


• Método elástico– Límite de aplicación está dado por primera fluencia de la

sección

METODOPLÁSTICO

My

Fy

-Fy


• Método elástico– Resistencia de la estructura está dada por primera fluencia o

límite de deformación

METODOPLÁSTICO

Pymax


• Existe reserva de resistencia en la sección

METODOPLÁSTICO

M1>My

Fy

-Fy

My

Fy

-Fy


• Existe reserva de resistencia en la estructura (hiperestaticidad)

METODOPLÁSTICO

Rango elástico

P1≤Py

Plastificación de viga

P2>Py

Colapso

Pu>P2


• Método plástico– Material es elástico-perfectamente plástico.

– No hay inestabilidad– No hay fractura– No hay fatiga

METODOPLÁSTICO

y

E


• Método plástico– Estado límite en la sección es plastificación

METODOPLÁSTICO

Mp

Fy

-Fy


• Método plástico– Estado límite en la estructura es colapso

METODOPLÁSTICO

Pu

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