FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

TRABAJO:

ETAPAS BÁSICAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

PROFESOR:SALAZAR HUAMÁN ERLYN GYORDANY

ESTUDIANTES:

SALAZAR TERRONES, Lesllye.CRUZADO RUIZ, Victor.CALUA CARRASCO, Carlos.

CICLO:

2015-0ARCAYO E 2012

Cajamarca, 11 de febrero del 2015

ESTRUCTURAS Y CARGAS

RESUMEN:

En el presente trabajo se analizará cada una de las etapas de diseño estructural haciendo mención de sus características y de su modo de empleo para mejores resultados. Además se analizará la relación entre cada etapa y la importancia de su bien hecha elaboración para impedir retrasos y malos cálculos en el diseño.

ABSTRACT OR SUMMARY:

In this paper we have analyze each of the stages of structural design with mention of their characteristics and method of use for best results. Furthermore we have analyzed the relation between each stage and the importance of their optimal elaboration to prevent delays and miscalculations in the design.

KEY WORDS:

Acciones: Son todos los agentes externos que inducen en la estructura fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones.

Respuestas: Se representa por un conjunto de parámetros físicos que describen el comportamiento de la estructura ante las acciones que le son aplicadas.

Estado límite: Es cualquier etapa en el comportamiento de la estructura a partir de la cual su respuesta se considera inaceptable.

Tipos de estados limite

Estado límite de falla: Son los que se relacionan con la seguridad y corresponden a situaciones en que la estructura sufre una falla total o parcial o que presenta daños que afectan su capacidad para resistir nuevas acciones.

Estado límite de servicio: Son los que se asocian con la afectación del correcto funcionamiento de la construcción y comprenden deflexiones, agrietamientos y vibraciones excesivas.

Resistencia: Es la intensidad de una acción hipotética que conduce a la estructura o alguna sección a un estado límite de falla. Por ejemplo, la resistencia a flexión será el momento máximo que es capaz de resistir la sección.

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INTRODUCCION:

La ingeniería estructural tiene como objeto el diseño de las estructuras, al diseñarlas se establecen ciertos objetivos que refieren a aspectos de seguridad, funcionalidad y economía.

Por otro lado el objetivo de todo proyecto es llegar a condiciones aceptables, es decir, dar adecuadas condiciones técnicas consiguiendo un grado de seguridad apropiado para que la estructura pueda soportar todas las cargas y deformaciones durante su construcción y vida útil.

Dado que las etapas de diseño se relacionarán mutuamente para obtener un producto final adecuado, deberán ser aplicadas con criterio y cuidado de forma que el proceso logre su objetivo.

Es por ello que en el presente trabajo consideramos mencionar y describir cada una de las etapas, identificando su relación y su proceso de empleo para hacer del proceso de diseño más fácil y eficaz.

OBJETIVOS:

Objetivo general:

Conocer y analizar las etapas básicas del diseño estructural para una edificación específica obteniendo un producto final óptimo.

Objetivos específicos:

Analizar las características de cada etapa de diseño y su modo de empleo. Identificar la relación entre etapas de diseño para obtener resultados óptimos. Identificar la importancia del empleo adecuado de las etapas de diseño estructural.

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MARCO TEÓRICO:

ANTECEDENTES HISTÓRICOS:

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DISEÑO ESTRUCTURAL:

El diseño estructural es un proceso creativo mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para que cumpla una función determinada con un grado de seguridad razonable y que en condiciones normales de servicio tenga un comportamiento adecuado.

Es importante considerar ciertas restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo de ejecución así como de satisfacer determinadas exigencias estéticas. Entonces, la solución al problema de diseño no puede obtenerse mediante un proceso matemático rígido, donde se aplique rutinariamente un determinado conjunto de reglas y fórmulas.

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PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL:

Es el procedimiento mediante el cual se establecen los elementos que conforman la estructura en cuanto a materiales, dimensiones, uniones, detalles en general y su ubicación relativa en la estructura.

La selección de estos elementos se debe basar en su comportamiento adecuado en condiciones de servicio y su capacidad para resistir fuerzas que generen un estado de colapso en la estructura.

El principal objetivo del proceso de diseño aplicado a estructuras es cumplir con lo expuesto en el párrafo anterior junto con la utilización óptima de los materiales y técnicas de construcción disponibles, según las razones expuestas a continuación:

Un comportamiento adecuado en condiciones de servicio garantiza que los elementos estructurales no presenten inconvenientes o deficiencias en situaciones que, aunque no se ponga en juego la seguridad, afectan el correcto funcionamiento de toda la edificación.La capacidad de los elementos para resistir cargas sin llegar al colapso garantiza que estos no presenten fallas graves bajo la acción de tales cargas, o que puedan disminuir su capacidad para resistir nuevas acciones, esto está relacionado con la seguridad de la estructura ante las solicitaciones sobre ella durante su vida útil.

A su vez el proceso del diseño de estructuras debe cumplir con los siguientes aspectos:  

Seguridad: asociado a la resistencia, rigidez, peso de los elementos y aspectos de funcionamiento.Economía: asociado con la optimización de los costos de construcción, selección adecuada de los elementos estructurales sin sobredimensionarlos, y con el uso moderado de acabados. Aspectos estéticos: asociado a todos aquellos factores relacionados con la mejora de la apariencia exterior e interior.

El diseño estructural incluye el arreglo y dimensionamiento de las estructuras y sus partes, de tal manera que las mismas soporten satisfactoriamente las cargas colocadas sobre ellas.

En particular el diseño estructural implica lo siguiente:

1. La disposición general de las estructuras.2. Estudio de los posibles tipos o formas estructurales que representen soluciones factibles.3. Consideración de las condiciones de carga.4. Análisis y diseño preliminares de las soluciones posibles.5. Selección de una solución, análisis y diseño estructural final de la estructura, incluyendo la

preparación de los planos.

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ETAPAS DEL PROCESO DE DISEÑO:

FASE CONCEPTUAL:

Planeamiento generalEstructuraciónEstimación de las solicitaciones y acciones

FASE ANALÍTICA O DE CÁLCULO:

Análisis estructuralDiseño estructuralRevisión estructuralProducto final

a) Planeamiento general:

Comienza con la concepción de la obra, el establecimiento de sus objetivos y criterios generales de diseño, así como el estudio de la forma de financiación del proyecto.

b) Etapa de estructuración:

Es la etapa más importante del diseño estructural pues, la optimización del resultado final del diseño depende de gran medida del acierto que se haya obtenido en adoptar la estructura esqueletal más adecuada para una edificación específica.

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En esta etapa de estructuración se seleccionan los materiales que van a constituir la estructura, se define el sistema estructural principal, el arreglo y dimensiones preliminares (predimensionamiento) de los elementos estructurales más comunes. El objetivo debe ser el de adoptar la solución óptima dentro de un conjunto de posibles opciones de estructuración.

c) Etapa de estimación de las solicitaciones o acciones:

En esta segunda etapa del proyecto, se identifican las acciones que se consideran que van a incidir o que tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante su vida útil. Entre estas acciones se encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como la carga muerta, acciones variables como la carga viva. Acciones accidentales como el viento y el sismo. Cuando se sabe de antemano que en el diseño se tienen que considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en base a la experiencia la estructuración más adecuada para absorber dichas acciones.

d) Etapa de Análisis   estructural:

En esta etapa se determina la respuesta del sistema estructural ante solicitaciones o cargas a la que está sometida, esto es, la determinación de fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones en los elementos estructurales, que son resultado de la acción de cargas externas. Puesto que en esta etapa se realizan cálculos, se requiere idealizar la estructura real en un modelo teórico el cual sea posible de analizar con métodos de cálculo favorables; además también se requiere determinar las acciones de diseño, es decir sus valores y la manera en cómo se aplican a la estructura, esto se logra basándose en los reglamentos y códigos de diseño; luego de esto se procede al análisis propiamente dicho, es decir, la cuantificación de las acciones internas (fuerza axial, cortante, momentos flectores o torsión), la evaluación de esfuerzos, y el cálculo de las deformaciones en los elementos en base a los esfuerzos a los que están sometidos.

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Acciones y sus efectos sobre los   sistemas   estructurales

Clasificación:

Atendiendo los conceptos de seguridad estructural y de los criterios de diseño, la clasificación más racional de las acciones se hace en base a la variación de su intensidad con el tiempo.

Se distinguen así los siguientes tipos de acciones: Acciones permanentes:

Son las que actúan en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad pude considerarse que no varía con el tiempo. Pertenecen a este grupo las siguientes.

1.- Cargas muertas debidas al propio peso de la estructura, terminaciones de pisos y muros, peso de ductos y servicios, peso de tabiques y de los elementos no estructurales de la construcción.

2.- Empujes estáticos de líquidos y tierras

3.- Deformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto del pre-esfuerzo y a movimientos diferenciales permanentes en los apoyos

4.- Contracción por fraguado del concreto, flujo plástico del concreto, etc.

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Acciones variables:

Son aquellas que inciden sobre la estructura con una intensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores importantes durante lapsos grandes. Se pueden considerar las siguientes:

1.- Cargas vivas, o sea aquellas que se deben al funcionamiento propio de la construcción y que no tienen carácter permanente

2.- Cambios de temperaturas

3.- Cambios volumétricos

Acciones accidentales:

Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la construcción y que puede tomar valores significativos solo durante algunos minutos o segundos, a lo más horas en toda la vida útil de la estructura. Se consideran las siguientes:

1.-Sismos

2.-Vientos

3.-Oleajes

4.-Explosiones

Para evaluar el efecto de las acciones sobre la estructura requerimos modelar dichas acciones como fuerzas concentradas, lineales o uniformemente distribuidas.

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e) Etapa de diseño estructural:

Cuando se tiene definido cuales son las cargas que soportará la edificación y los esfuerzos máximos, en base a las normas, que pueden soportar los elementos que componen la estructuras, es posible iniciar la etapa de “Diseño Estructural” de cada uno de los elementos que conforman la estructura. Es en esta etapa donde se definirán cuáles son las dimensiones de los elementos, además de las características específicas de los mismos, con respecto a su composición particular.

El diseño está basado en que cuando la estructura es sometida a las combinaciones de carga apropiadas, ningún estado límite aplicable, sea resistente o de servicio, será excedido. Para lograr un diseño definitivo es necesario también definir cuál es el método de diseño a utilizar, para lo cual es importante conocer la filosofía de diseño bajo el cual se desarrolla dicho método.

¨El proceso de diseño estructural se puede interpretar como un proceso de aproximaciones sucesivas, en la que una primera solución se va mejorando en la medida que los ¨datos¨ mismos se van precisando o perfeccionando.¨

Métodos   del diseño estructural:

- Diseño por medio de modelos:

Uno de los pasos más importantes en cualquier análisis, es el proceso de formulación de un modelo de la estructura real, susceptible a un tratamiento matemático relativamente sencillo. Este paso consiste en adoptar una cantidad de idealizaciones y simplificaciones con la intención de reducir la complejidad del problema, así como retener las características “primarias” importantes del comportamiento.

Estas idealizaciones tratan directamente con descripciones geométricas y del comportamiento del material. En resumen modelar la estructura es idealizar la estructura real por medio de un modelo teórico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo disponibles.

Se recomienda en el diseño de elementos estructurales de forma muy compleja que no son fáciles de analizar por medio de los modelos matemáticos usuales.

Modelo de las condiciones de apoyo:

En el modelo de la estructura también es necesario idealizar la forma en que los elementos individuales de una estructura están conectados entre sí y como estos están sujetos entre sí los elementos de la frontera a los soportes del sistema.

Esta condición depende de las restricciones a la que está sometida el apoyo, el tipo de construcción real del apoyo y la herramienta de análisis que se va utilizar.

Condiciones de apoyo y representación simbólica:

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Apoyo fijo Apoyo rotulado Apoyo simple

Modelo estructural:

Para realizar este análisis se debe construir primero un diagrama de líneas. Las líneas del diagrama por lo general siguen el centroide de la sección transversal de cada uno de los elementos.

En la figura se muestra un diagrama de líneas razonable, anotando las áreas y los valores de momento de inercia de cada segmento y la representación de la condición de apoyo asumida.

- Método de los esfuerzos de   trabajo   o de esfuerzos permisibles o   teoría   elástica:

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Consiste en limitar los esfuerzos en todos los puntos de la estructura, cuando está sometido a las cargas de servicio, a valores admisibles, por debajo del límite elástico del material y suficientemente alejados del esfuerzo de falla para que pueda garantizarse un margen de seguridad adecuado.

Los esfuerzos admisibles se obtienen dividiendo los esfuerzos de falla del material por factores de seguridad, escogidos más o menos arbitrariamente. Los factores comunes varían desde 1.5 para el acero hasta 6 para mampostería.

El considerar que el material falla al llegar al límite elástico y el no tener en cuenta la naturaleza probabilística tanto de los materiales como de las cargas hacen que el diseño para esfuerzos permisibles no ofrezca una medida precisa de su confiabilidad.

Hoy en día se considera que el diseño elástico es aceptable cuando no se dispone de otra interpretación del comportamiento estructural. Por eso se utiliza parcialmente en el diseño de mampostería y en el de estructuras de madera, ante la ausencia de datos suficientes que permitan un mejor tratamiento. También se usa en el diseño de hormigón preesforzado y aun se permite en el de estructuras de acero, a pesar de la amplísima información disponible sobre el comportamiento de estas últimas.

Las normas NSR-98 estipulan que los siguientes materiales pueden diseñarse de acuerdo con esta metodología.

Hormigón preesforzado en condiciones de servicio Mampostería Edificaciones de madera Diseño elástico de estructuras de acero.

- Método de la resistencia o método de factores de carga y de reducción de resistencia o teoría plástica:

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Parte de la premisa de que, como la existencia de un margen predeterminado entre la resistencia de los miembros estructurales y los esfuerzos causados por las cargas de trabajo no dan una indicación precisa del margen de la seguridad disponible, es más lógico adoptar como referencia el estado límite de la falla y fijar la relación entre la carga última y la de trabajo. En este caso el factor de seguridad se aplica a las cargas, mayorándolas mediante coeficientes de carga.

Los elementos mecánicos se determinan por medio de un análisis elástico-lineal. Las secciones se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sean igual a dichas acciones multiplicadas por factores de carga, de acuerdo con el grado de seguridad deseado o especificado. La resistencia de la sección se determina prácticamente en la falla o en su plastificación completa.

Ventajas:

Desventajas:

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- Métodos basados en el análisis al límite:

En este criterio se determinan los elementos mecánicos correspondientes a la resistencia de colapso de la estructura. (Formación de suficientes articulaciones plásticas para llegar a la falla total de la estructura).

La filosofía de diseño está relacionada con los estados límites que se aplican para la evaluación estructural. Es posible definir un estado límite como una condición que representa un límite de utilidad estructural más allá de la cual la estructura deja de cumplir con una función proyectada; dichos estados límite pueden estar dictados por requerimientos funcionales de la estructura o pueden ser arbitrarios.

Los estados límite pueden dividirse en dos tipos: estados límite de resistencia(o estado limite últimos) y estados límite de servicio (funcionales). En el siguiente esquema se muestran los dos tipos de estados límites y los criterios a tomar en cuenta en cada estado límite.  

Los estados límite de servicio: Están relacionados con los requerimientos funcionales de la estructura bajo condiciones normales de servicio, es decir son formulados con el fin de evitar funcionamientos indebidos en la estructura por el uso diario. No está directamente relacionado con fallas en la estructura, pero si tiene implicaciones con elementos no estructurales que pueden sufrir daños o la molestia que puede ocasionarle a los usuarios. 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.

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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.

Los estados límite de resistencia: También llamados estados límites últimos, están relacionados con la seguridad contra cargas extremas durante la vida proyectada de la estructura, dichos estados límite dependen de la resistencia de los elementos, de los miembros o de la estructura.Se puede llegar a este estado cuando:

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

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

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

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

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

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Criterio de diseño para los límites:

El criterio de diseño para estados límites se puede expresar matemáticamente de varias formas. Una de ellas, que utiliza coeficientes de carga y resistencia, se puede expresar mediante la siguiente fórmula general:

El lado izquierdo de la ecuación se refiere a la resistencia de la estructura y el lado derecho al efecto de las cargas que actúan sobre ella.

Al diseñar la estructura se debe plantear la ecuación anterior para cada combinación de cargas que requiera estudio en los estados límites especificados. Si para cualquiera de ellas no se cumple la ecuación, se considera que la estructura ha fallado o que se ha excedido en límite claramente establecido de utilidad estructural.

- Métodos probabilísticos:

Las solicitaciones que actúan sobre las estructuras, así como las resistencias de estas son cantidades en realidad de naturaleza aleatoria, que no pueden calcularse por métodos determinísticos como se supone en los criterios de diseño anteriores. Esto nos conduce a pensar en métodos basados en la teoría de las probabilidades.

Las principales limitaciones que se tienen en la actualidad son que no se tiene suficiente información sobre las variaciones tanto de las solicitaciones que deben de considerarse como la resistencia de los materiales y de las estructuras construidas con ellos.

El modelo conceptual de diseño probabilístico está basado en la teoría de confiabilidad clásica (ver por ejemplo, Freudenthal, et al., 1966; Shinozouka, 1983). El objetivo general de diseño basado en la confiabilidad es tomar en cuenta la incertidumbre de las variables involucradas, utilizando los principios de la teoría de probabilidad, y dimensionar la estructura para permitir un riesgo tolerable de fallas en su comportamiento.

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f) Etapa de revisión estructural.

Luego de obtener las dimensiones de los elementos primarios y secundarios de la estructura es necesario hacer una revisión de cada uno de estos, basándose en criterios no necesariamente estructurales. Se evalúan en esta etapa las deflexiones de los elementos estructurales en condiciones de servicio y compararlo con las deflexiones allí sugeridas. En caso de existir una diferencia apreciable entre la deflexión obtenida y la sugerida se procede a realizar cambios, ya sea en las dimensiones del elemento o en las secciones que componen sus miembros, con el objetivo de cumplir con la deflexión limite.

g) Producto final:

Una vez detallado los pasos anteriores y teniendo claridad de los costos, posibles cambios que se realizaron posterior al cambio en las especificaciones, se obtiene un producto final, acabado. En este se detallan todos los pasos anteriores, teniendo la claridad de la serviciabilidad, de las resistencias, esfuerzos, costos, etc. para dar un diseño terminado.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

CONCLUSIONES:

Se logró conocer y analizar las etapas básicas del diseño estructural para una edificación identificando la importancia del empleo adecuado de las etapas de diseño estructural, ya que esta definirá el resultado del proyecto.

Ya que el proceso de estructuración comprende etapas de trabajo complejo, es importante tratar de realizar en lo posible el diseño de una estructura sencilla ya que esta nos facilitará el proceso de trabajo y además tendrá un mejor comportamiento.

RECOMENDACIONES:

Según lo analizado en el tema se logró apreciar la importancia de emplear cada etapa de diseño de forma ordenada y cuidadosa para evitar posibles correcciones y así poder evitar fallas en la estructura y posibles retrasos.

Por el complejo proceso de análisis que se necesita realizar a una edificación necesitaremos un programa tal como es el SAP 2000 para verificar nuestro análisis y así tener resultados más eficaces.

BIBLIOGRAFIA:

http://www.uae.edu.sv/DOC%20BIBLIOTECA/Documentos/T-207CRE.pdf Tesis: Estructuración, análisis y diseño estructural de elementos de techo, Cruz Rovira Carlos, Universidad de

el Salvador. Análisis Estructural, Ing. Omar Tello Malpartida. Análisis Estructural, Oscar González Cuevas.

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