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ESTRUCTURAS I CLASE 2

CLASE 2 2. Cargas en estructuras El objetivo de un ingeniero estructural es diseñar una estructura que sea capaz de soportar todas las cargas a las que se somete la estructura cuando está cumpliendo el propósito para el cual fue diseñado, durante su vida útil. Las cargas que actúan en estructuras de ingeniería civil comunes pueden agruparse por su naturaleza y origen en tres clases. a) Cargas muertas, debido al peso propio del sistema estructural y otros materiales adheridos a la estructura permanentemente. b) Cargas vivas, las cuales son cargas movibles o cargas móviles, producto del uso de la estructura. c) Cargas ambientales, las cuales son producto de efectos ambientales, como, por ejemplo: viento, nieve, y sismos. Además de estimar la magnitud de las cargas de diseño, un ingeniero también debe considerar la posibilidad de que algunas de estas cargas actúen simultáneamente en la estructura. Por lo tanto, la estructura deberá diseñarse para soportar las combinaciones más desfavorables de cargas que probablemente ocurran durante la vida útil de la estructura. Dichas combinaciones, generalmente se especifican en las diversas normas de diseño. 2.1. Sistemas estructurales para trasmitir cargas En los edificios, puentes u otras obras de infraestructura comunes, generalmente se presentan dos o más tipos de las estructuras básicas revisadas previamente (vigas, columnas, losas y cerchas) ensambladas en conjunto para formar un sistema estructural que pueda transmitir las cargas aplicadas al suelo por medio de cimentación. Como por ejemplo: Para un edificio de un piso compuesto por: losa, vigas, columnas, diagonales, y cimentación, como el presentado en la Figura 2.1, la carga se transmite de la siguiente forma:

Figura 2.1 Sistema estructural de un edificio de 1 piso (Kassimali, 2014)

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Las cargas de gravedad (vertical) distribuidas uniformemente en la losa (fuerza por unidad de área) se transmite primero a las vigas de piso como cargas lineales (fuerza por unidad de longitud). Como las vigas de piso están apoyadas sobre las vigas cargadoras, las reacciones de las vigas de piso sobre las vigas cargadoras se transmiten como cargas puntuales (fuerza), y de forma similar la reacción de las vigas cargadoras sobre las columnas se transmiten como cargas puntuales (fuerza), y finalmente las columnas transmiten la carga a la cimentación, la cual distribuye la carga al suelo como una presión de contacto (fuerza por unidad de área). Las diagonales no participan en el proceso de transmisión de cargas de gravedad, tal como se presenta en la Figura 2.2.

Figura 2.2 Distribución de cargas de gravedad (verticales) (Kassimali, 2014)

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Las cargas horizontales (viento o sismo) aplicadas a la losa son transmitida por la losa a los pórticos verticales como fuerzas laterales en el plano, dichos pórticos trasmiten la carga a la cimentación. Como se puede ver, cada pórtico está compuesto por una viga de piso, dos columnas, y dos diagonales conectados por una conexión articulada. Este tipo de pórticos se denominan pórticos arriostrados, y se comportan esencialmente como cerchas

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planas sometidas a la acción de cargas laterales, donde las diagonales transmiten la carga de la losa a la cimentación, tal como se observa en la Figura 2.3.

Figura 2.3 Distribución de cargas horizontales (Kassimali, 2014)

Es importante mencionar que sea cual sea el sistema estructural usado, el concepto básico de transmisión de cargas no cambia, es decir, la carga aplicada es transmitida continuamente de un elemento al otro hasta transmitir la totalidad de la carga al suelo. 2.1.1. Sistemas de piso y área tributaria Durante el proceso de diseño, un ingeniero necesita determinar qué porcentaje de la carga total distribuida sobre un área de losa es tomado por cada uno de los elementos del sistema de piso. La parte del área de la losa cuya carga es tomada por un elemento en particular se denomina área tributaria de un elemento. •

Losas diseñadas en una dirección.- Se asume que están apoyadas en dos lados, y solo trabajan a flexión en una dirección, similar a una viga ancha. El área tributaria de cada viga de soporte es rectangular, igual a la longitud de la viga y un ancho igual a la mitad de la separación entre vigas, tal como se aprecia en la Figura 2.4.

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Figura 2.4 Esquema de área tributaria de vigas, considerando losas en una dirección (Kassimali, 2014)

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Losas diseñadas en dos direcciones.- Para las cuales se asume que están apoyadas en cuatro lados, y trabajan a flexión en dos direcciones perpendiculares como una placa, y transmiten la carga a lo largo de sus lados, a todas las vigas en las que se apoya. Deberán

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cumplirse una relación entre la longitud de la viga y la separación entre vigas menor a 1.5 (L/S < 1.5). El área tributaria, cuando se consideran losas en dos direcciones, variara en función de la geometría de la losa, tal como se observa en la Figura 2.5.

Figura 2.5 Esquema de área tributaria de vigas, considerando losas en dos direcciones (Kassimali, 2014)

Clase 2-5


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Columnas.- El procedimiento para determinar el área tributaria de una columna es similar al explicado para losas en una dirección, tal como se presenta en la Figura 2.6.

Figura 2.6 Esquema de área tributaria de columnas (Kassimali, 2014)

2.2. Cargas muertas Las cargas muertas son cargas de gravedad (verticales) de magnitud constante y en posiciones fijas que actúan permanentemente en las estructuras. Este tipo de cargas abarcan el peso propio del sistema estructural, materiales y equipos que estarán adheridos permanentemente al sistema estructural. Inicialmente se asumen dimensiones de los elementos estructurales y se considera su peso en el diseño, posteriormente se compara con el peso al final del diseño, en caso de existir gran diferencia, se realiza un análisis iterativo. El peso de equipos de servicio, como, por ejemplo, sistemas de aire acondicionado son proporcionados por el fabricante. A continuación, se resumen pesos volumétricos de materiales comúnmente usados durante la construcción, de acuerdo a lo recomendado por NEC 15:

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Tabla 2-1 Pesos unitarios de materiales de construcción, 1/4 (NEC 15)

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2.3. Cargas vivas Las cargas vivas son cargas que varían en magnitud y/o posición, provocadas por el uso de la estructura. Las magnitudes de las cargas vivas usualmente se especifican en los códigos de diseño. Las posiciones de las cargas vivas pueden cambiar, por lo tanto, cada elemento de la estructura debe diseñarse para la posición de la carga que causa el máximo esfuerzo en ese elemento, diferentes elementos pueden alcanzar su máximo nivel de esfuerzo con distintas posiciones de la carga viva (puentes). Las cargas vivas en edificaciones generalmente se especifican como cargas uniformemente distribuidas en una superficie (fuerza por unidad de área). A continuación, se resumen las sobrecargas mínimas distribuidas y concentradas, de acuerdo a lo recomendado por NEC 15, ejemplos de cargas vivas móviles y otros tipos de cargas vivas, se detallarán en secciones posteriores:

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Tabla 2-5 Sobrecargas mínimas distribuidas y concentradas, 1/6 (NEC 15)

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2.4. Cargas por viento*

Las cargas por viento se producen por el flujo de viento alrededor de la estructura. Las magnitudes de las cargas por viento que podrían actuar en una estructura dependen de la localización geográfica de la estructura, obstrucciones en terrenos circundantes (edificios, montañas, etc), y de las características dinámicas de la estructura. Se recomienda revisar NEC 15, para una explicación detallada. 2.5. Cargas por granizo* Para las cargas por granizo se considerará una acumulación del granizo en corto tiempo. Solo se deberá tomar en cuenta para regiones del país con más de 1500 msnm. Se recomienda revisar NEC 15, para una explicación detallada. 2.6. Cargas por sismo Las cargas por sismo se producen por movimientos del suelo en la dirección horizontal y vertical, sin embargo, la magnitud de la componente vertical del movimiento del suelo es muy pequeña y no tiene un efecto significativo en las estructuras. Por otro lado, la componente horizontal es la responsable de gran parte del daño estructural y debe ser considerada en el diseño de estructuras localizadas en zonas con un alto riesgo sísmico. El análisis estructural considerando las cargas por sismo será tratado a detalle en cursos posteriores, sin embargo, se recomienda revisar NEC 15, para una explicación detallada. 2.7. Presiones hidrostáticas y de suelo* Las estructuras utilizadas para retener agua, como presas y tanques, así como estructuras parcialmente o completamente sumergidas en agua, deben diseñarse para resistir el empuje hidrostático. La presión hidrostática a una distancia h bajo la superficie, puede expresarse como:

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Figura 2.7 Esquema presión hidrostática (Kassimali, 2014)

Donde  es el peso volumétrico del fluido. Estructuras subterráneas, muros y losas de sótano, y muros de retención, tienen que diseñarse para resistir la presión del suelo, la cual puede ser vertical o lateral. 2.8. Efectos termales y otros efectos* Se pueden generar esfuerzos significativos debido al gradiente térmico, errores de fabricación y asentamientos diferenciales. Por lo tanto, en ciertas ocasiones deben de considerarse en el diseño. 2.9. Combinaciones de carga Como se mencionó previamente, un ingeniero debe considerar la posibilidad de que algunas de las cargas mencionadas previamente actúen simultáneamente en la estructura. Por lo tanto, la estructura deberá diseñarse para soportar las combinaciones más desfavorables de cargas que probablemente ocurran durante la vida útil de la estructura. A continuación, se resumen las combinaciones básicas de carga recomendadas por NEC 15:

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Figura 2.8 Combinaciones básicas de carga (NEC 15)

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