acciones y combinaciones sobre las estructuras

ACCIONES Y COMBINACIONES SOBRE LAS

CONSTRUCCIONES

Ing E.Daniel Quiroga JTP 2014

ACCIONES Y COMBINACIONES

Marzo 2014 Hoja: 1 de 17

Las Acciones

La determinacin de acciones sea quizs la tarea ms importante y difcil que debe enfrentar el diseador, pues una vez identificadas las posibles acciones que pue-dan presentarse, se debe investigar cmo podran combinarse en el futuro.

Mucha gente considera que las espe-cificaciones o cdigos impiden al ingeniero pensar por s mismo, pero en realidad el obje-tivo es proteger y pensar en el bien comn, por sobre los intereses de propietarios, dise-adores o constructores.

Los cdigos reflejan el estado del arte y consideran los casos ms comunes que se presentan en la prctica profesional, pero no todos. Siempre, la responsabilidad del diseo de una estructura segura es del profesional a cargo.

Las acciones se clasifican en: Permanentes, Variables o Accidentales en funcin de su tiempo de permanencia y su magnitud.

Dentro de cada categora, a su vez, se identifican las cargas muertas, vivas, de uso, viento, nieve, etc. Se describen a continuacin las ms comunes.

Acc

ione

s

De servicio o uso (vivas) Hielo y Nieve

Viento

Dependen de la geo-metra global

Independientes del ma-terial

Permanentes (muertas) Accidentales Ssmicas (pro-

porcional a las masas)

Dependen de la geometra de com-

ponentes Dependen del mate-

rial

Requiere

Predimensionado Ver grfico Moore

Figura 1 Acciones sobre las construcciones



1. Acciones Permanentes o Cargas Muertas [D] Son de magnitud constante y permanecen fijas en su lugar. Se refiere al pe-

so propio de la estructura, elementos no estructurales cargas permanentemente unidas a ella.

En primer trmino se debe estimar el tamao y peso de los elementos es-tructurales pues, precisamente, el resultado del proceso de diseo ser la determi-nacin de secciones y en ese momento se puede comprobar la exactitud en la esti-macin inicial.

Para obtener cargas diversas, se obtienen los pesos y densidades de mate-riales de la norma CIRSOC 101. Existen grficos para predimensionar en forma ex-peditiva la altura de un elementos (peralte d), en funcin de la luz (claro L). (Ver Anexo 1) [7]

Figura 2 Variacin de las cargas permanentes en el tiempo

2. Acciones Variables o Cargas Vivas Son las que pueden cambiar de lugar o de magnitud y cuya presencia no es

permanente. En esta categora pueden incluirse diferentes cargas variables tales como: cargas de uso o funcionales, viento, nieve, lluvia, empujes, etc.

2.1.- Cargas de uso o funcionales [L]

Los valores mnimos a utilizar estn indicados en distintos cdigos de construccin (por ejemplo: Cdigo de Edificacin, CIRSOC 101). En caso de no encontrarse el caso especfico se deber estimar la carga mxima esperada o bien la mxima altu-ra de almacenaje y la densidad de los materiales a soportar.

D

Dk

Tiempo

Vida

til



2.2.- Carga de Hielo y Nieve [S] De acuerdo

con la ubicacin geogrfica de la construccin en es-tudio se debe espe-rar acumulacin de hielo y nieve. La norma CIRSOC 104 establece valores

mnimos para diversas localidades del pas. (Ver anexo 2). En el mapa se observan las zonas ms propensas a nevadas intensas.

La configuracin geomtrica de la cubierta y la inclinacin del techo modifican el valor total de carga a considerar en el diseo.

Como se trata de una carga variable deben con-siderarse variaciones en la magnitud y en la distribucin, como por ejemplo cuando un faldn de techo expuesto al sol se derrite y el otro no lo que se conoce como carga desbalanceada.

Pg = carga de nieve

Completar con las expresiones de la norma CIR-SOC 104

2.3.- Lluvia [R] Se considera su influencia en techos horizontales y de grandes superficies y

poca pendiente pues facilitan su acumulacin. Adems es comn la falta de mantenimiento en los desages facilitando su obturacin y el aumento de agua acumulada.

L

Tiempo

Vida

til

Sk

Wk

Figura 3 Comportamiento de las cargas variables en el tiempo

Figura 4 a) Nieve sobre una cubierta b) Colapso de un cobertizo

Figura 5 Mapa de distribucin de nevadas s/CIRSOC 104



2.4.- Viento (W) La accin del viento adquiere importancia, princi-

palmente en construcciones livianas y de grandes superfi-cies, por la presin que se ejerce sobre stas consecuencia de la transformacin de la energa cintica debida a la ve-locidad en energa de presin sobre las reas expuestas. La medicin de la velocidad se realiza con anemmetros.

El efecto del viento se manifiesta en general como una presin sobre las superficies a barlovento (dependien-do del ngulo de inclinacin o incidencia) y como succiones sobre las superficies a sotavento (por generacin de presiones negativas o vacos).

Partiendo de la ecuacin de Bernoulli: CtevVmpa =+

2

21

La energa total de cualquier partcula del flujo de aire es funcin de la pre-sin esttica ms la presin dinmica y resulta constante. Cuando se interpone un obstculo (una construccin) se produce un cambio en la velocidad del viento redu-cindose prcticamente a cero (v1=0). La presin del viento se determina en funcin de la velocidad de la rfaga de vientos incidiendo sobre una superficie:

( )21221 vv

Vmp = 2

21 v

Vmp = 4

2

2

3

125.081.9

225.1m

skgsmmkg

gVm

===

[ ]2

22 81.90625.01000125

21

mNvvp ==

= 2

2613.0mNvp o bien

= 2

2000613.0mkNvp

Es la expresin que adopta la nor-ma para la determinacin de la presin de viento con la velocidad como variable que depende de la ubicacin geogrfica (figura 1.A. y 1.B)

El efecto sobre las construcciones es similar al ejercido sobre un vehculo en movimiento por lo que intervienen la veloci-dad del viento, la forma de la construccin y el espacio circundante.

Los elementos circundantes a la construccin pueden obstaculizar la llegada del viento modificando la forma de inciden-cia. El proyectista debe considerar este efecto en cada direccin de viento supues-ta, analizando la rugosidad del terreno de-bida a los rasgos topogrficos propios del

Figura 5 Anemmetro

Figura 6 Efecto del viento en construcciones aledaas



lugar y a otras estructuras.

Las tablas para determinacin de la presin consideran la ubicacin geogr-fica, la importancia de la construccin y los elementos circundantes que pueden obstaculizar la llegada del viento modificando la forma de incidencia. El proyectista debe considerar este efecto en cada direccin de viento supuesta, analizando la rugosidad del terreno debida a los rasgos topogrficos propios del lugar y a otras estructuras.

La accin conjunta del viento sobre la construccin produce fuerzas norma-les a la direccin del viento, llamada Deriva, en la misma direccin, llamada Empu-je y otra que tiende a levantarla, llamada Levantamiento.

Las tablas de presiones se han determinado para una exposicin B, categora de exposicin media. Se debe evaluar si corresponde cate-gora A exposicin baja, C, exposicin alta o D, exposicin muy alta. Su cuantificacin se realiza con Kz, que multiplica directamen-te a la presin determinada.

Se muestran en las fotos siguientes las categoras de exposicin A y B.

Debido a la especialidad de la rfaga y al no incidir simultneamente, se prev su cuantificacin por medio de un coeficiente de reduccin en funcin de la superficie expuesta (Tabla 2)

Completar con las expresiones de la norma CIRSOC 102



3.- Acciones Accidentales 3.1.- Sismo [E] Muchas reas del mundo se

encuentran definidas como de alto riesgo ssmico, como la Provincia de Mendoza en la zona norte. Por la im-portancia de esta accin sobre las construcciones, a pesar de tratarse de una accin de aparicin excepcional o accidental, debe ser considerada en el anlisis. En el mapa se observan sis-mos recientes identificados con color segn la magnitud y profundidad del foco.

La aceleracin del terreno tanto horizontal como vertical origina desplazamientos relativos que inducen distintos esfuerzos en la construccin. Las fuerzas surgen al transformar las aceleraciones ssmicas en fuerzas equivalentes horizontales en funcin de las masas de la construccin. El disea-dor cuenta con la opcin de realizar anlisis dinmi-cos de la estructura. Adems de la solicitacin que induce a las estructuras debe considerarse el efecto que produce en el contenido de los edificios que, en algunas ocasiones, ha causado ms prdidas econmicas que el costo de la construccin misma. La

A nivel provincial hoy coexisten dos regla-mentos en vigencia, Cdigo de Construcciones Sismorresistente de la Provincia de Mendoza de 1987 y el INPRES-CIRSOC 103. Luego de un perodo de transicin, quedar slo el segundo.

No es correcto considerar a la accin de sismo como un incremento de la accin de viento, pues mientras una depende de la superficie expuesta, la otra es funcin de la distribucin de masas en altura.

Figura 6 Representacin de la magnitud y frecuencia de la accin ssmica

Ak

Tiempo

Ac

Vid

a t

il

Figura 5 Registro de sismos recientes



4.- Combinacin de acciones y Seguridad Estructural El objetivo del anlisis de acciones y sus combinaciones es garantizar la seguridad estructural en la construccin en general y en cada miembro en particular, enten-dindola como la evaluacin estadstica de la naturaleza aleatoria de las variables que determinan la resistencia de la estructura por una parte y las que pueden oca-sionar la falla (cargas) por otra. Por teora de probabilidades se puede evaluar el riesgo de falla y mantener su pro-babilidad de ocurrencia en un nivel aceptable, dependiendo de la importancia de la estructura y el riesgo de la vida humana entre otros factores

Las normas de referencia establecen para las construcciones combinacio-nes de acciones para obtener estados lmites. De acuerdo con los valores de los factores de carga se pueden lograr Estados Lmites ltimo (ELU) o Estados Lmites de Servicio (ELS).

Hoy se busca unificar los factores de carga independientemente de los ma-teriales utilizados. En cada reglamento del material, se indican los factores de carga y resistencia a utilizar.

Para las estructuras metlicas se utiliza el reglamento CIRSOC 301 EL, ba-sada en la AISC (American Institute of Steel Construction) que toma como referen-cia el mtodo LRFD (Load and Resistanse Factor Design; Diseo por Factores de Carga y Resistencia).

Para construcciones de hormign se utiliza el reglamento CIRSOC 201, ba-sado en el ACI (American Concrete Institute).

Para las construcciones de madera se emplea el reglamento CIRSOC 601.

Se considera la construccin y sus miembros son seguros si se cumple la siguiente desigualdad:

nii RQ

El miembro de la izquierda se refiere a los efectos de las cargas (Q) y (gamma) es el factor de cada una. El miembro de la derecha se refiere a la resisten-cia o capacidad del elemento estructural y (fi) es el factor de resistencia, en fun-cin del tipo de solicitacin.

El objetivo principal del diseador es evitar la posibilidad de falla y la segu-ridad se evala a travs de las variables en la ecuacin, es decir, las cargas y la resistencia. Como ambas son variables aleatorias independientes, se busca contro-lar que las cargas no excedan la resistencia provocando una falla estructural.

Estas variables (R y Q) se representan como distribuciones de frecuencia y se con-sidera que la estructura es segura si la resistencia resulta mayor que las cargas. La zona sombreada indica zona de falla cuando la resistencia es menor que las cargas factoreadas.



Para mayor claridad se pueden representan las variables en un grfico lo-

gartmico [ln(R/Q)]. Si R



5.- Bibliografa

[1] Engel Sistemas de Estructuras. Blume Ediciones [2] Galambos, Lin y Johnston Diseo de estructuras de acero con LRFD [3] Gordon, J. Estructuras o por qu las cosas no se caen. Celeste Edicio-

nes [4] Lin y Stotesbury. Conceptos y sistemas Estructurales para Arquitectos e

Ingenieros. Editorial Limusa. [5] Mc Cormac. Diseo de Estructuras de Acero Mtodo LRFD. Alfaome-

ga [6] Moisset de Espans Intuicin y razonamiento en el diseo estructural.

Editorial Ingreso [7] Moore, Fuller. Comprensin de las estructuras en la Arquitectura. Mc

Graw Hill. [8] Quiroga, E. D., Reboredo, A. La Esttica en la Ingeniera Estructural.

Traduccin Structural Engineering International. Journal of the Interna-tional Association of Bridge and structural Engineering (IABSE). 2/96.

[9] Quiroga, E. D., Salomn, E. Gaud: Mecnica y Forma de la Naturaleza. 6 Encuentro de Investigadores y Profesionales Argentinos de la Cons-truccin (EIPAC). Octubre 2003. Mendoza

[10] Salvadori y Heller. Estructuras para arquitectos. CP67 [11] Japz, E. Estructuracin de naves industriales. Gua de trabajos prcti-

cos. UNC. [12] C.C.S.R. Cdigo de Construcciones Sismorresistentes de Mendoza 87 [13] CIRSOC 301 E.L. Proyecto, clculo y Ejecucin de Estructuras de Ace-

ro



ANEXO 1

GRFICOS DE PREDIMENSIONADO [7]

16



ANEXO 2 CARGAS DE NIEVE PARA LA PROVINCIA DE MENDOZA (s/CIRSOC 104)

N LOCALIDAD DEPARTAMENTO HSNM pg (kN/m2) 17 General Alvear General Alvear 466 0,9 4 Godoy Cruz Godoy Cruz 900 0,3* 6 Guaymalln Villa Nueva 750 0,3 9 Junn Junn 606 0,3

13 La Paz La Paz 503 0,3 1 Las Heras Las Heras 750 0,3 2 Lavalle Lavalle 600 0,3 5 Lujn de Cuyo Lujn de Cuyo 935 0,3 7 Maip Maip 750 0,3

18 Malarge Malarge 1440 0,9 3 Mendoza Capital 757 0,3

11 Rivadavia Rivadavia 654 0,3 15 San Carlos San Carlos 941 0,9 8 San Martn San Martn 657 0,3

16 San Rafael San Rafael 688 0,9 12 Santa Rosa Santa Rosa 606 0,3 14 Tunuyn Tunuyn 869 0,3 10 Tupungato Tupungato 1067 0,9

Nota: Multiplicar por 100 para pasar de kN/m2

a kgf/m2



ANEXO 3 CARGAS VIENTO PARA LA PROVINCIA DE MENDOZA (S/CIRSOC 102) La determinacin de acciones de viento sobre las construcciones deben tener en cuenta varios aspectos: ubicacin geogrfica, condiciones del terreno circundante, obstculos y follaje, altura y tamao total de la construccin, forma de la construc-cin, porcentaje de aberturas respecto de la superficie total de paredes e importan-cia de la obra para la comunidad.

Se presenta un caso muy general para un edificio de menos de 10 metros, totalmen-te cerrado ubicado en la zona industrial de la provincia de Mendoza. En caso de alterarse alguna de estas condiciones, las figuras siguientes no son vlidas.

Se indican las presiones en [kg/m]. El signo ms (+) indica presin y el menos (-) succin.

Direccin del viento

+80

-85

-85

-85

-85

-85

-85

-85

+80

-85

-85

+80

Direccin del viento



ANEXO 4

ACCIONES SSMICAS (segn C.C.S.R MENDOZA 87) ACCIONES SOBRE LA CONSTRUCCIN COMO CONJUNTO

Las acciones ssmicas sobre las construcciones son consecuencia de efec-tos dinmicos debido a la aceleracin del suelo. La inercia de la masa de la edifica-cin ante el movimiento ssmico provoca deformaciones en los elementos estructu-rales. Para la determinacin de las acciones debidas al fenmeno ssmico se em-plea generalmente el mtodo esttico equivalente, que consiste en establecer la magnitud de una fuerza ubicada en la zona de concentracin de las masas que pro-voque las mismas deformaciones que la accin dinmica del sismo.

La mayora de los reglamentos incorporan una expresin como la siguiente para determinar el valor de dicha fuerza:

donde:

Tso= Fuerza esttica equivalente total Q = Peso total de la construccin. C = Coeficiente ssmico. Co = Coeficiente ssmico zonal. Funcin de la ubicacin geogrfica de la

construccin. d = Coeficiente de destino de la construccin. e = Coeficiente de estructura. = du x vi. du = Coeficiente de ductilidad. Funcin de la tipologa estructural. vi = Coeficiente de vinculacin interna. Funcin de la conexin entre ele-

mentos resistentes. s = Coeficiente del suelo. Funcin de las caractersticas del suelo y del per-

odo propio.

El valor de Tso es el cortante a nivel de la base de la construccin. Cuando se deba distribuir en altura en funcin de los elementos de vinculacin interna (en ge-neral losas de entrepisos), se proceder de acuerdo con lo previsto en el Cdigo de Construcciones Sismorresistentes de Mendoza de 1987 (C.C.S.R. 87).

Para calcular el valor de Q, se debe tener en cuenta la probabilidad de pre-sencia simultanea de cargas de uso, permanentes y la accin ssmica de diseo, dado que esta ltima representa un estado accidental.

La expresin a emplear ser:

Donde: G = Cargas permanentes. P = Cargas de uso. p = Coeficiente de participacin de la carga de uso. Funcin de la probabili-

dad de aparicin simultanea con la accin ssmica.

QCTso = ( ) sCC duvido =

PpGQ +=



Las solicitaciones que se obtienen debido a Tso combinadas con las acciones gravitatorias, determinan un estado lmite ltimo en los elementos resistentes y por lo tanto el coeficiente de seguridad ser = 1,00.

PARTES DE LA CONSTRUCCIN La mayora de las construcciones y especialmente en las industriales existen

elementos vinculados a la estructura principal denominados partes de la construc-cin, cuya estabilidad y resistencia ante las acciones de origen ssmico deben ase-gurarse.

As podemos encontrar: mquinas, recipientes, equipos, etc. Estos elementos tienen su propia estructura portante vinculada a la construc-

cin, la que deber resultar apta para transmitir las acciones que pudieran originar-se. La incidencia en los costos finales generalmente es poco significativa frente al del elemento en cuestin, pero deben ser correctamente diseadas, construidas y montadas debido a que su colapso puede traer aparejado un impacto importante generando situaciones de riesgo tanto para la propia planta industrial como en el entorno.

Se pueden enunciar como situaciones de riesgo: Valor intrnseco del elemento soportado. Trascendencia dentro del proceso industrial o de la urgencia social del

tiempo de reposicin de lo daado. Vctimas o daos materiales que ocasionen su cada. Impacto ambiental en situaciones de alta peligrosidad tales como: ra-

dioactividad, gases txicos, etc. La accin ssmica que se produce en la parte de la construccin se debe a

que vibra de manera diferente que el resto de la construccin, es decir que su per-odo propio es distinto del del edificio. Depender fundamentalmente cual es su ubi-cacin en altura respecto de las distintas asociaciones de masas que se hayan con-siderado.

Para cuantificar el valor de la accin esttica equivalente para la parte de la construccin, se emplea la expresin dada por el C.C.S.R. 87:

Donde:

Fs = Fuerza ssmica esttica equivalente sobre la parte. Q = Peso de la parte. Cp = Coeficiente ssmico de la parte. r = Coeficiente de riesgo. Funcin del tipo y posicin relativa de la par-

te. e = Coeficiente de estructura. Funcin de las caractersticas de vincu-

lacin y ductilidad de la estructura resistente que soporta a la parte. Fi = Fuerza ssmica en el nivel considerado. Qi = Masa del nivel considerado.

QCF ps = ii

ererp QF

CC =

ACCIONES YCOMBINACIONES SOBRE LASCONSTRUCCIONESJTPFigura 2 Variacin de las cargas permanentes en el tiempo2. Acciones Variables o Cargas Vivas2.1.- Cargas de uso o funcionales [L]2.2.- Carga de Hielo y Nieve [S]2.3.- Lluvia [R]3.- Acciones Accidentales3.1.- Sismo [E]4.- Combinacin de acciones y Seguridad Estructural5.- Bibliografa

ANEXO 1GRFICOS DE PREDIMENSIONADO [7]ANEXO 2La determinacin de acciones de viento sobre las construcciones deben tener en cuenta varios aspectos: ubicacin geogrfica, condiciones del terreno circundante, obstculos y follaje, altura y tamao total de la construccin, forma de la construccin,...Se presenta un caso muy general para un edificio de menos de 10 metros, totalmente cerrado ubicado en la zona industrial de la provincia de Mendoza. En caso de alterarse alguna de estas condiciones, las figuras siguientes no son vlidas.ANEXO 4ACCIONES SSMICAS (segn C.C.S.R MENDOZA 87)ACCIONES SOBRE LA CONSTRUCCIN COMO CONJUNTOPARTES DE LA CONSTRUCCIN

acciones y combinaciones sobre las estructuras

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