Cargas consideradas en los diseños Estructurales

Cargas consideradas en los Diseños Estructurales

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LAS CARGAS ESTRUCTURALES

La actividad del diseño estructural que realiza el ingeniero civil, requiere un gran conocimiento de las cargas, los materiales y las formas estructurales y no solo de los modelos matemáticos usados para obtener las fuerzas internas: momento flector (M), cortante (V), fuerza axial (N), y momento torsor (T). Los estudiantes ya están acostumbrados a esos procedimientos matemáticos y es necesario que entiendan que una viga es un cuerpo real y no una ecuación diferencial o una matriz. Por tal razón se presenta aquí un resumen o referencia, para ir introduciendo al estudiante de ingeniería civil y arquitectura en ellos.

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En el proceso de diseño se deben evaluar las cargas o solicitaciones a las que estará sometida la estructura durante su vida útil. Además, de debe hacer un esfuerzo por tenerlas todas en cuenta sin olvidar aquellas que aunque pequeñas puedan poner en peligro la resistencia o estabilidad de la estructura, (ver Fig. 2): el efecto de succión producido por un viento fuerte en una bodega o hangar, que puede levantarlo y separarlo de los apoyos, o los cambios fuertes de temperatura que puedan inducir efectos de acortamiento o alargamiento para los cuales no esté adecuadamente provista la estructura. Se deberán tener en cuenta no solo las que constituyan empujes, fuerzas exteriores o pesos permanentes, sino aquellos estados temporales durante la construcción y los mencionados antes, como los efectos térmicos y de retracción, para evitar accidentes y efectos imprevistos. En algunos casos se podrán despreciar, porque su incidencia es pequeña, pero siempre después de haber meditado en su efecto. Los modernos códigos de construcción le dan al ingeniero recomendaciones de cargas mínimas que deben usarse en el diseño de estructuras comunes. Sin embargo, siempre quedará en el calculista la responsabilidad de su evaluación y elección. Las cargas que deben considerarse en el diseño de estructuras, son:

  • Cargas Muertas (D)
  • Cargas vivas (L)
  • Cargas de sismo (E)
  • Cargas de viento (W)
  • Cargas producidas por presión lateral de tierras o presión hidrostática (H)
  • Cargas producidas por presiones de fluidos (F)
  • Efectos producidos por cambios de temperatura (T)

A continuación se expondrán brevemente algunas consideraciones sobre las cargas de gravedad: muertas y vivas y las producidas por fenómenos naturales: sismo, viento, por ser las más comunes en los diseños de edificaciones y puentes en nuestro medio.

CARGAS ESTRUCTURALES MUERTAS (D)

Son aquellas cargas que actúan durante toda la vida de la estructura. Incluyen todos aquellos elementos de la estructura como vigas, pisos, techos, columnas, cubiertas y los elementos arquitectónicos como ventanas, acabados, divisiones permanentes. También se denominan cargas permanentes. Su símbolo “D”, corresponde a la inicial en inglés de Dead (muerto).

La principal carga muerta es el peso propio de la estructura. Sus valores se obtienen considerando el peso específico del material de la estructura y el volumen de la estructura. Aunque es el tipo de carga más fácil de evaluar, su monto depende de las dimensiones de los miembros de la estructura las cuales no se conocen al inicio del proceso. Es necesario recurrir entonces a estimaciones del valor inicial. Esta acción será más o menos aproximada, dependiendo de la experiencia del diseñador. En los casos comunes esta estimación inicial será suficiente; pero en casos no rutinarios, será necesario evaluar de nuevo el peso de la estructura y revisar el diseño.

Para elementos longitudinales (vigas), la carga se evalúa por unidad de longitud. Ha sido costumbre evaluarla en sistema MKS: “kg/m, t/m”. En el Sistema Internacional (SI) se debe hacer: N/m, kN/m.

El control de las cargas muertas es muy importante en estructuras de concreto reforzado construidas in situ, pues el volumen de los concretos colocados puede ser muy variable, conduciendo a sobre-espesores que producen masas adicionales a las contempladas en el diseño, afectando la evaluación de las cargas de sismo. En el acero estructural se controlan más fácilmente, pues los perfiles vienen de fábrica con tolerancias de peso pequeñas.

Figura 2. Fuerzas distribuidas
Figura 2. Fuerzas distribuidas

Para elementos de gran área, como las placas o pisos se evalúa por metro cuadrado: kN/m2, (kgf/m2 en sistema MKS). Algunos ejemplos corrientes de pesos propios, propuestos son:

MATERIALPESO (kN/m3)DENSIDAD (Kg/m3)
Concreto Simple
23230
Concreto Reforzado242400
Mampostería de ladrillo181800
Acero787850
Madera Laminada6600
Madera, densa, seca7,5750
Arena, grava, tierra suelta161600
Arena, grava compactada191900
Macadam222200
Mampostería de Piedra272700
Mortero de pega212100

CARGAS ESTRUCTURALES VIVAS (L)

Son aquellas debidas al uso u ocupación de la construcción y que la identifican. Incluyen personas, objetos móviles o divisiones que puedan cambiar de sitio. Generalmente actúan durante períodos cortos de la vida de la estructura. También incluyen el impacto. Su símbolo corresponde a la inicial de Live (vivo). También se denominan cargas de “ocupación”. Debido a la dificultad de evaluarlas, se especifican por los Códigos de Construcción, en kN/m2 en el SI o en kgf/m2 en el MKS. Usualmente se considera que ocupan toda el área del piso como cargas uniformes, aunque en algunos casos puedan estar concentradas en un área especifica, algunos valores típicos son:

 S.I. (kN/m2)MKS (kgf/m2)
Vivienda1,8 180
Oficinas2,02200
Escaleras3300
Salones de Reunion3300
5500
Hospitales22200
4400
Coliseos4400
5500
Garajes2.5250
Hoteles2200
Escuelas, univ.:2200
Bibliotecas2200
5500

Para bodegas, los valores dependen del material y de la altura de almacenamiento, por lo cual es conveniente que se señalen en forma visible los valores máximos de la carga viva de diseño, para evitar sobrecargas cuando hay cambio de dueño. En general, es conveniente que los elementos muy pesados se almacenen directamente sobre el terreno y así evitar cargas concentradas muy pesadas en la estructura.

Las cargas vivas para PUENTES constituyen un campo muy especial y común para la Ingeniería Estructural. Generalmente es muy difícil predecir el tipo de vehículo que circulará por un puente. Solo en casos especiales, en explotaciones mineras con volquetas de gran capacidad, serán conocidas. Casi siempre es una mezcla de vehículos livianos y pesados como automóviles, camiones, tractores. En los puentes de gran luz el efecto producido por el tránsito de los vehículos puede simularse adecuadamente por una carga uniforme por unidad de longitud y una carga concentrada, la denominada franja de carga por carril. En los puentes cortos la influencia de la carga de los ejes traseros es mayor y se acostumbra definir un vehículo tipo.

Figura 3. Ensayo de carga de puente, situación de máxima carga viva
Figura 3. Ensayo de carga de puente, situación de máxima carga viva

Cuando un vehículo pasa por un puente se presentan deflexiones elásticas que varían en magnitud y posición según el avance del vehículo; se presentan vibraciones debido a irregularidades de la superficie que se aumentan con el efecto vertical de la suspensión del vehículo, denominado “muelleo”. Estos efectos aumentan los esfuerzos producidos por la carga viva. Este efecto dinámico ha sido costumbre llamarlo impacto y su magnitud se evalúa en función de la luz del puente. Es mayor para luces cortas y el valor máximo fijado es del 30% de la carga viva. Además de la fuerza vertical se especifican fuerzas horizontales. Una para tener en cuenta la fuerza centrífuga en sentido radial en los puentes curvos y otra la acción de frenado en sentido longitudinal.

CARGA DE SISMO (E)

El efecto producido por los movimientos sísmicos en las estructuras depende de la situación de la edificación con respecto a las zonas de actividad sísmica en el mundo. Los movimientos del terreno le transmiten a las construcciones aceleraciones, que producen en las estructuras reacciones de “inercia”, según la masa y su distribución en la estructura. La fuerza total de inercia se considera igual al denominado “cortante de base”, el cual es un porcentaje del peso total de la construcción.

Figura 4. Daños causados por sismo debido a cambios de rigidez en la estructura
Figura 4. Daños causados por sismo debido a cambios de rigidez en la estructura

La respuesta de una edificación a los sismos depende de varios factores, como: la rigidez de la estructura (que se relaciona con la mayor o menor deformabilidad; un edificio de pocos pisos es un edificio más rígido que un edificio alto); la distribución de la masa, tanto en planta como en altura; el tipo de suelo sobre el que está apoyada, siendo mayor para suelos blandos que para roca; las características del terremoto (duración, magnitud, distancia del epicentro); la historia sísmica de la construcción. Los códigos sismorresistentes le dan al diseñador estructural, las recomendaciones para que sus diseños tengan un margen de seguridad adecuado para proteger la vida y bienes de los propietarios de las edificaciones situadas en zonas de gran actividad sísmica.

Figura 5. Destrucción total en un sismo (Armenia 1999)
Figura 5. Destrucción total en un sismo (Armenia 1999)

La Norma sismorresistente fija los criterios y requisitos que deben cumplir las edificaciones que puedan verse sometidas a fuerzas sísmicas y busca como objetivo el que puedan resistirlas, reduciendo a un mínimo el riesgo de pérdidas de vidas humanas y la defensa del patrimonio del Estado y de los ciudadanos. Al respecto dice:

Una edificación diseñada siguiendo los requisitos consagrados en las normas que regulen las construcciones sismorresistentes, debe ser capaz de resistir, además de las fuerzas que le impone su uso, temblores de poca intensidad sin daño, temblores moderados sin daño estructural, pero posiblemente con algún daño en elementos no estructurales y un temblor fuerte con daños a elementos estructurales y no estructurales pero sin colapso.

Estos objetivos de la norma, conocidos y entendidos por los calculistas profesionales, algunas veces no son claramente entendidos por la comunidad en general; muchos propietarios entienden que sus edificaciones construidas después del código son antisísmicas, es decir no se dañan en temblores. Los ingenieros y arquitectos deben explicarle a sus clientes que los diseños y procesos que se realizan para una determinada construcción, tienen unos factores de seguridad y riesgo asumidos por la sociedad al expedir la norma sismorresistente y que si desean una estructura especial que no sufra daños, tendrán que asumir unos costos adicionales que pueden ser muy altos. En la ingeniería existen estructuras, como las plantas nucleares, que se diseñan con altas especificaciones, para evitar daño alguno.

Figura 6. Diversidad de efectos sobre estructuras en un área reducida (Popayán 1883)
Figura 6. Diversidad de efectos sobre estructuras en un área reducida (Popayán 1883)
Figura 7. Destrucción total en sismo de Armenia, 1999
Figura 7. Destrucción total en sismo de Armenia, 1999

La norma sismorresistente adopta el sistema internacional de medidas SI y por ende la unidad básica de fuerza, el newton N, por lo que las fuerzas inerciales deberán obtenerse a partir de las masas en kilogramos (kg). Los métodos de análisis aceptados por el código son:

  • a) El Método de la fuerza horizontal equivalente.
  • b) El Método del análisis dinámico elástico.
  • c) El método del análisis dinámico inelástico.
  • d) Otros alternos de tipo inelástico.
Figura 8. Colapso de estructura de concreto reforzado (Armenia 1999)
Figura 9. Equilibrio de fuerzas horizontales Fx en pisos y cortante de base Vs
Figura 9. Equilibrio de fuerzas horizontales Fx en pisos y cortante de base Vs

LAS CARGAS DE VIENTO (W)

Las cargas de viento y explosiones producen presión o succión sobre las superficies expuestas de las construcciones. La carga de viento es una carga muy importante en el diseño de estructuras altas o muy flexibles, como los puentes colgantes, o de gran superficie lateral, como las bodegas o grandes cubiertas.

Los factores que influyen en la magnitud de esta carga son: la velocidad del viento y su variación con la altura, la magnitud de las ráfagas, las condiciones locales de la superficie del terreno circunvecino, la forma de la superficie expuesta al viento, la zona o región; es especialmente crítico el efecto en zonas sometidas a huracanes o ciclones, que producen velocidades del viento superiores a los 200 KMH.

La presión del viento ha causado muchos daños inesperados. Durante los procesos de construcción es común que las paredes de ladrillo o de bloques de concreto, queden sin apoyo hasta que se construyan los elementos de amarres de los techos, con lo que vientos ligeros pueden derribar estos muros sin apuntalamiento, debido a la gran superficie expuesta a la presión del viento.

Las estructuras muy flexibles como los cables de transmisión o los puentes colgantes pueden recibir fuerzas periódicas que inducen vibraciones, causando hasta la falla. Es famosa la falla del Puente de Tacoma (USA), en 1940, que con un viento suave entró en resonancia, produciéndose su colapso, que afortunadamente sirvió para impulsar el estudio del fenómeno y definió un nuevo rumbo en el diseño de puentes colgantes y en la consideración del efecto dinámico del viento como carga o acción estructural.

Figura 10. Colapso de estructuras debido a cargas de viento.
Figura 10. Colapso de estructuras debido a cargas de viento.

La norma, presenta métodos para evaluar el efecto del viento sobre las edificaciones y sus componentes. En el denominado «método simple», que puede aplicarse cuando los efectos producidos por el viento no son fundamentales en el diseño, la fuerza de viento W se obtiene multiplicando la presión del viento p, por el área lateral de la edificación.

LAS ACCIONES DE FUEGO

Debido al rápido proceso de urbanización, es necesario tener en cuenta la acción del fuego sobre las construcciones, situación ya corriente en los países desarrollados. Las normas señalan los requisitos de protección contra el fuego en edificaciones. Al contrario de otras cargas mencionadas anteriormente, las cargas de fuego no producen ningún esfuerzo en las estructuras, a menos que haya un incendio.

El concepto de carga de fuego, se relaciona con la cantidad de material combustible por unidad de área; puede expresarse como la cantidad de material en kg. o la energía térmica total del material en MJ (megaJoules) o BTU. La carga de fuego se especifica según el tipo de ocupación de la edificación. Por ejemplo, un almacén de telas contiene más material combustible que una escuela. Para algunos casos en que se presentan materiales peligrosos, tales como solventes orgánicos, puede ser necesario determinar el volumen de material
combustible y multiplicarlo por la energía térmica del material combustible liberada por el incendio; ésta última puede determinarse quemando el material en un calorímetro.

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