Estados De Carga-1x2

Estados de cargaVictorio E. Sonzogni

UTN FRSF

Estados de carga – p. 1

Estados de solicitación

Las estructuras se hallan sometidas a estados de solicitación queproducen cambios en las fuerzas internas, deformaciones,desplazamientos, vibraciones, etc.

El ingeniero debe indentificar los estados a que puede versesometida la estructura y verificar que frente a ellos continuedesempeñándose según los criterios de diseño aceptables.

No solamente se verifica el comportamiento frente a esos estadosde solicitación, sino también frente a la ocurrencia simultánea devarios de ellos.

Los estados de solicitación pueden clasificarse según diferentescriterios. A continuación se ordenarán según: la naturaleza de suacción sobre la estructura; según el tipo de respuesta estructural quegenera; y según el tiempo de actuación.


Clasificación de las acciones según su naturaleza

Aceleraciones aplicadas sobre la estructura

Fuerzas aplicadas sobre la estructura

Desplazamientos relativos

Cambios de volumen

Modificación de las propiedades mecánicas



Aceleraciones aplicadas sobre la estructuragravedadsismosvibraciones de maquinarias

Fuerzas aplicadas sobre la estructurapeso de la construcciónsobrecargasempujes (de suelos, líquidos, granos)presión del viento



Desplazamientos relativos

descenso de un apoyo

deformaciones de montaje

Cambios de volumen

deformaciones térmicas

retracción por fraguado

fluencia lenta

Modificación de las propiedades mecánicas

acción del fuego


Clasificación de las acciones según la respuesta estructural

Acciones estáticasPermanecen constantes o casi invariablesEj.

peso propio y cargas muertasempuje de líquidos, suelos o materiales sueltosfuerzas de pretensado



Acciones dinámicas

Varían en el tiempo con rapidez tal que producenaceleraciones en la construcción.Estas aceleraciones sobre la masa produce fuerzasde inercia variables en el tiempo.Es necesario hacer un análisis dinámico de larespuesta.Las acciones dinámicas, a su vez, pueden ser dedistintos tipos


Acciones dinámicas

Armónicas

vibración de máquinas rotantes

Periódicas

Tránsito de vehículos

Impulsivas

explosionesimpacto de vehículos o proyectiles

Transitorias generales

aceleraciones de terremotospresiones del viento



Acciones seudoestáticas

Son cargas que varían con el tiempo, pero su variaciónes tan lenta que no producen aceleraciones deimportancia en la construcción, y por consiguiente noproducen fuerzas de inercia.En estos casos se estudian como cargas estáticas,pero que varían con el tiempo.Ej:

fluencia lentasobrecarga (si varía en forma lenta)


Clasificación de acciones según el período de acción

Reglamento CIRSOC 105 Superposición de acciones

Acciones permanentesTienen un tiempo de aplicación muy prolongado. En general su valorsuele permanecer aproximadamente constante.

Acciones variablesPresentan variaciones frecuentes y contínuas. Tienen una altaprobabilidad de ocurrencia. Las variaciones de su valor sonimportantes.

Acciones accidentalesEstas acciones tienen una probabilidad muy pequeña de actuación,pero con valores muy significativos. En realidad la magnitud quealcanzan hace que se las considere en el cálculo a pesar de suescasa probabilidad de ocurrencia.



Cargas Accidentales

Cargas Variables

Tiempo

Tiempo

TiempoCargas Permanentes



Acciones permanentes

peso propio de la estructura

peso de los elementos constructivos no estructurales

empuje de suelos

empuje (continuado) de líquidos

fuerzas de pretensado

deformaciones impuestas durante la construcción

cedimientos de apoyos



Acciones variables

cargas de uso y sobrecargas

cargas móviles

acciones del viento

acciones de la nieve

acciones de la temperatura

acciones del hielo

acciones de granos y materiales sueltos

acciones de maquinarias y equipos

acciones de sismos frecuentes



Acciones accidentales

impacto de vehículos o proyectiles

explosiones

sismos excepcionales

tornados

fuego


Reglamentos CIRSOC

R.C. 101: Cargas y Sobrecargas Gravitatorias p/ Estructuras deEdificios

R.C. 102: Acción del Viento

Recom. C. 102-1: Acción dinámica del viento

R. INPRES-C. 103: Const. Sismorresistentes (Tomos I, II y III)

R.C. 104: Acción de la Nieve y del Hielo

Recom. C. 105: Superp. de Acciones (Combinación Estados deCarga)

Recom. C. 106: Dimensionamiento del Coef. de Seguridad

Recom. C. 107: Acción Térmica Climática

R.C. 108 : Cargas de Diseño p/ Estruct. durante su Construcción


Cargas gravitatorias

Las cargas debido al peso de los elementos estructurales y noestructurales se evalúan calculando su volumen y multiplicándolo porel peso específico de cada material. El Reglamento C.101proporciona tablas con el peso específico de materiales.

Se deben incluir entre las cargas permanentes la de aquellosequipos fijos (por ej, instalaciones sanitarias, equipos de aireacondicionado, etc.)

Los tanques de agua deben considerarse con el total de su carga.

Cuando las cargas gravitatorias tenga efecto estabilizante deberáconsiderarse además la situación con su menor peso (por ej. untanque vacío)


Empuje de materiales sueltos

Entre las cargas permanentes se considera:

Empuje de agua en presas, tanques, etc.

Subpresión de agua en losas de fundación bajo el nivel freático.

Empuje de suelos sobre muros de contención, paredes desótanos, etc.

Empuje de granos y materiales sueltos, en depósitos, silos, etc. seconsideran como acciones variables.

p = k zh a g

z


Sobrecargas

Las cargas de uso o sobrecargas son las cargas variablesproducidas por los objetos, personas o vehiculos que pueden incidirsobre la estructura.

El Reglamento C.101 da los valores mínimos a tener en cuenta paralas sobrecargas de uso para cada local. (Por ej. locales habitablesvan entre 200 y 500kgf/m2 según el uso).


Sobrecargas

Si las sobrecargas son determinantes en la estructura, se deberíaconsiderar la ubicación que produzca los efectos más desfavorablespara cada cada sección de la estructura.

Por ejemplo, la posición de sobrecargas para momentos máximos deapoyo en A, y de tramo en B se muestran en la siguiente figura:

A

B


Reducción de sobrecargasSe permite reducir la sobrecarga cuando la probabilidad deocurrencia simultánea de los valores máximos en el área tributariasea baja.

Por ejemplo: en una columna (o base) de planta baja de un edificiode viviendas de 10 pisos, la probabilidad de que todos los pisosestén cargados con la máxima sobrecarga es baja. En ese caso sepuede reducir la sobrecarga con los siguientes factores (Cirsoc101-1982, IRAM 11599, DIN 1055...):

Planta en orden de-

crec. de sobrec.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 >10

% reduc sobrec. por

planta

0 0 0 20 40 60 80 80 80 40

La reducción no puede ser mayor a 100kg/m2 por planta


Acción del viento

El viento produce varias acciones sobre las construcciones:

Una presión estática sobre las paredes exteriores (e interiores)de las edificaciones

Una acción dinámica que adquiere distintas forma y afecta sobretodo a las estructuras más flexibles.

En casos puntuales, puede haber fenómenos violentos(tornados, huracanes) de gran poder destructivo

En estos casos, además de las presiones del viento, este puedearrojar proyectiles que impacten sobre las construcciones.

La acción del viento será objeto de un capítulo aparte

Está reglamentada en el R.C 102 (versiones 1982 y 2005)


Efectos de la temperatura


Efectos de la temperatura

Los cambios de temperatura producen cambios de volumen en losmateriales.

Una estructura isostática podrá deformarse libremente frente acambios de temperatura, sin que aparezcan tensiones.

Una estructura hiperestática está impedida de deformarse librementey frente a dilataciones/contracciones térmicas, se originan tensiones.

Hay que prever juntas de dilatación en las construcciones quepermitan absorber las dilataciones/contracciones sin producirtensiones.

Este tema se estudiará en un capítulo aparte.


Acción de los sismos

El terremoto produce una aceleración de la base de la construcciónque genera vibraciones, deformaciones y fuerzas de inercia en eledificio.

La norma 103 indica como proceder para su diseño

Los tomos II, II y IV de esa norma tienen prescripciones para eldiseño de estructuras de mampostería, hormigón armado y acero,respectivamente

El diseño antisísmico será objeto de un capítulo aparte.


Cargas de impacto

Es una acción accidental, cuya probabilidad de ocurrencia puede serbaja.

Sólo es necesario tenerla en cuenta si se trata de construcciones dealto riesgo implícito para la sociedad, o cuando el impacto puedetener consecuencias catastróficas.

En construcciones especiales (centrales nucleares, etc.) seconsidera el impacto de eventuales proyectiles, tales como el de unaaeronave.

En edificios corrientes, una columna de ochava puede ser críticafrente al impacto de un vehículo. Se trata de evitar situaciones comoesas. Si existieran, la norma DIN 1055 considera una acciónhorizontal estática para representar la posibilidad del impacto.


Carga de impacto de una aeronave

0 50 100 150 200 250 300 3500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tiempo (ms)

Fue

rza

(MN

)

Fuerza de impacto de un Boeing 707-320, a velocidad de 103m/s. Curvasimplificada obtenida por J. Riera, para análisis dinámico de centralesnucleares.


Cargas de impacto

F

En columnas de edificaciones que estén expuestas al impacto devehículos, la norma DIN 1055 indica considerar una fuerza horizontal(estática) a 1, 20m de altura con valor 50t para columnas esquinas, ode 25t para otras columnas.

Se trata de evitar el emplazamiento de columnas en ochavas,derivando las fuerzas hacia otras columnas y bases en la estructura.


Incendios

Los incendios son estados accidentales.

Dependiendo de la construcción podrá ser importante considerarloentre los estados de solicitación.

Suponiendo una adecuada aislación, de modo que el fuego noqueme la estructura, el efecto del fuego aparece por una dobleincidencia:

Hay elevado aumento de temperatura, con lo cual se originanimportantes dilataciones, deformaciones y tensiones;

La temperatura modifica las propiedades mecánicas reduciendola resistencia estructural.

Se define una Resistencia al fuego como el tiempo (en minutos)durante el cual un elemento estructural mantiene sus propiedades.

Las estructuras de acero son vulnerables al fuego y hay que preveraislación.


Combinación de estados de carga

Combinación de estados de carga según CIRSOC 105 (1982)

La recomendación CIRSOC 105 indica la siguientes fórmulas paraevaluar la acción combinada de los distintos estados de carga, yasea durante una verificación frente a

un estado límite último

un estado límite de utilización

Para ciertos casos hay fórmulas específicas, ver por ejemplo elReglamento CIRSOC 103 Acción del sismo sobre lasconstrucciones.



Para un estado límite último

Como solicitación última, en cada sección de la estructura, debe tomarse:

Su = γ [SP + SV +

n∑

i=1

ψ0,iSki]

La letra S hace referencia a una solicitación en alguna sección de la estructura. (Ej:momento flector M , esfuerzo normal N , o cortante Q, momento torsor T , tensiónnormal σ, etc.)

Según el subíndice que la acompaña S adopta los siguientes significados:Su: solicitación límite última a considerar para el cálculoSP : solicitación debida a cargas permanentesSV : solicitación por carga variable considerada principal para esta combinaciónSki: solicitación debida a otras causas variablesψ0,i: coeficiente de probabilidad de ocurrencia simultánea, (Tabla 1 de la laRecomendación CIRSOC 105), un valor típico ψ0 = 0, 6

γ: coeficiente de seguridad. ( γ = 1, 75 : falla con aviso previo ( flexión); y γ = 2, 10:falla sin aviso previo ( corte o compresión).



Para un estado límite último

Si existen cargas accidentales (sismo severo, impacto de vehículos, explosiones, etc.),se tomará además la siguiente solicitación última:

Su = SACC + SP + ψ1,1SV +n∑

i=1

ψ2,iSki

Siendo SACC la solicitación debida a las acciones accidentales.

El resto de las solicitaciones tiene el significado indicado anteriormente.

Debe observarse que en este caso no se multiplica por el coeficiente de seguridad γpues la acción accidental ya considera un valor del tipo último.



Para un estado límite servicio o utilización

La solicitación de servicio puede calcularse con la fórmula:

Ss = SP + SV +n∑

i=1

ψ1,iSki

donde las variables tienen el mismo significado que anteriormente y ψ1,i se obtienede la Tabla 1 de la Recomendación CIRSOC 105.

Con la solicitación de servicio Ss deben verificarse los desplazamientos, la fisuración,las vibraciones, etc., así como los elementos no estructurales: paredes, vidrios,revestimientos, etc.



Según la norma ACI 318

El procedimiento de diseño de la ACI 318 indica que para cualquier sección de laestructura de debe verificar

Resistencia de diseño ≥ Resistencia requerida

donde resistencia de diseño, es la resistencia que la sección posee, minorada por unfactor de reducción

resistencia requerida es la solicitación resultante de las cargas actuantes , afectadaspor coeficientes de mayoración.


Combinación de estados de carga s/ACI 318

Resistencia requerida ( U )

Combinación de solicitaciones en la sección debido a las cargas de servicio delcódigo, multiplicadas por factores de carga.

El CIRSOC 201-2002 (y la ACI 318) usan la siguiente nomeclatura para cargas osolicitaciones:

D = cargas permanentesE = efectos sísmicosF = cargas debidas al peso y presión de fluidosH = cargas por peso y presión lateral de suelo, agua en el suelo, u otrosmaterialesL = sobrecargasLr = sobrecargas en las cubiertasR = cargas provenientes de la lluviaS = carga de nieveT = efectos de contracción o expansión resultante de variaciones detemperatura, fluencia lenta, retracción, etc.U = resistencia requerida para resistir las cargas mayoradasW = carga de viento



Las combinaciones de estados de carga pueden adoptar la forma simplificada:

Si se tiene solamente carga permanente (D) y sobrecarga (L)

U = 1, 4D

U = 1, 2D + 1, 6L

Si se tiene solamente carga permanente (D), Sobrecarga (L) y Viento (W)

U = 1, 2D + 1, 6L+ 0, 8W

U = 1, 2D + 1, 0L+ 1, 6W

U = 0, 9D + 1, 6W

Si se tiene solamente carga permanente (D), Sobrecarga (L) y Carga sísmica (E)

U = 1, 2D + 1, 0L+ 1, 0E

U = 0, 9D + 1, 0E



Para otras cargas presentes, la seccion 9.2 del CIRSOC 210-2002 (ACI 318) , asícomo el CIRSOC 103-2000 dan las siguientes combinaciones:

U = 1, 4(D + F )

U = 1, 2(D + F + T ) + 1, 6(L+H) + 0, 5(Lr ó S ó R)

U = 1, 2D + 1, 6(Lr ó S ó R) + (1, 0L ó 0, 8W )

U = 1, 2D + 1, 6W + 0, 5L+ 1, 0(Lr ó S ó R)

U = 1, 2D + 1, 0E + 1, 0L+ 0, 2S

U = 0, 9D + 1, 6W + 1, 6H

U = 0, 9D + 1, 0E + 1, 6H



Resistencia de diseño

La resistencia de diseño es la resistencia nominal multiplicada por un factor dereducción de resistencia φ.

La resistencia nominal es la resistencia de un elemento o sección transversalcalculada usando las hipótesis y ecuaciones de resistencia del Método de Diseño porResistencia, antes de aplicar cualquier factor de reducción de la resistencia.

Los factores de reducción de la resistencia φ (sección 9.3.2):

1. En secciones controladas por tracción: φ = 0, 90

2. Secciones controladas por compresión: elementos con armadura en espiral (sec.10.9.3) φ = 0, 70; otros elementos armados φ = 0, 65

3. Corte y torsión φ = 0, 75

4. Aplastamiento del hormigón (excepto p/zonas anclaje postesado) φ = 0, 65

5. Zonas de anclaje de postesado φ = 0, 85

6. Modelos de bielas (Apéndice A) φ = 0, 75

7. Flexión sin carga axial en elem. pretesados con long. embebida del cordónmenor que long. anclaje ld (art. 12.9.1.1) φ = 0, 75

8. Para hormigón estructural simple: φ = 0, 55



Para casos de flexión compuesta



Para el caso de combinaciones de carga que incluyan sismo, se deben utilizar losvalores de φ establecidos en el Reglamento INPRES-CIRSOC 103-2000, Parte II:

1. Cuando la resistencia requerida se basa en las solicitaciones máximas posiblesque se desarrollan teniendo en cuenta la sobrerresistencia de las rótulasplásticas : φ = 1, 00

2. Cuando la resistencia requerida se basa en las solicitaciones correspondientes ala combinación de estados de carga:

Flexión con o sin tracción/compresión: φ = 0, 90

Corte y torsión: φ = 0, 85

Aplastamiento del hormigón: φ = 0, 70


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