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Métodos de Diseño
DISEÑO DE ESTRUCTURAS
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CONTENIDOMétodos de Diseño
1. Introducción
2. Principios del diseño estructural
3. Filosofías de diseño
4. Cargas y combinaciones de carga
5. Métodos de análisis
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1. Introducción
El Diseño Estructural es un proceso creativo basado en el conocimiento de los principios de estática, dinámica, mecánica de materiales y análisis estructural.
Producto es una estructura segura y económica que cumple su propósito (requisitos de diseño).
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1. Introducción
Resistencia. Deformación máxima. Estabilidad. Vibraciones. Costo mínimo.
Peso mínimo. Mano de obra requerida mínima.
Tiempo de construcción mínimo. Máxima facilidad de mantenimiento. Máxima eficiencia de operación.
REQUISITOSDE DISEÑO
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1. Introducción
1. Definición conceptual.
2. Definición de solicitaciones a considerar.
3. Estructuración.
4. Selección de elementos.
5. Análisis.
6. Evaluación.
7. Emisión de planos y especificaciones.
ETAPAS DE DISEÑO
PROCESO DE DISEÑO
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1. Introducción
Cargas muertas. Cargas vivas estáticas. Cargas vivas móviles. Impacto. Nieve. Viento. Sismos. Lluvia. Empuje de suelos. Inundación. Otros.
SOLICITACIONES
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2. Principios del diseño estructural
Modelos de cargaModelo estructural Modelos de resistencia
Análisis estructural
Compararrespuesta vs.
resistenciaNo cumple Cumple Fin
Revisar diseño
Proceso de diseño estructural
PROCESO DEDISEÑO
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2. Principios del diseño estructural Variabilidad de las solicitaciones
Cambio de uso Estimación poco conservativa de las solicitaciones Mala estimación de los efectos de las solicitaciones debido
a simpificaciones excesivas durante análisis Diferencias en el proceso constructivo
Q
Solicitaciones
Qc
Probabilidad de exceder Qc
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2. Principios del diseño estructural Variabilidad de la resistencia
Imperfecciones geométricas esfuerzos residuales. Variabilidad de la resistencia del material Defectos en el proceso constructivo Deterioro de resistencia con el tiempo Aproximación en fórmula para determinar la resistencia
INCERTEZASRESISTENCIA
R
Resistencia
Rc
Probabilidad de tenerresistencia menor que Rc
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2. Principios del diseño estructural
Diseño estructural debe proveer confiabilidad adecuada para el caso de solicitaciones mayores que las consideradas o baja resistencia
OBJETIVO DELDISEÑO
Q R
Qm Rm
Falla
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2. Principios del diseño estructural
Q R
Qm Rm
Qc
Rc CONFIABILIDADESTRUCTURAL
Probabilidad de falla:
Falla
0ln10 Q
RPQRPQRP
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2. Principios del diseño estructural
ln(R/Q)
[ln(R/Q)]m
ln(R/Q)
0
INDICE DECONFIABILIDAD
22
ln
QR
mm
VV
QR
Indice de
Confiabilidad
Falla
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2. Principios del diseño estructural
AISC-LRFD
1.75 para miembrosCarga permanente + carga viva + sismo
2.5 para miembrosCarga permanente + carga viva + viento
4.5 para uniones
3 para miembrosCarga permanente + carga viva (o nieve)
objetivoCombinaciones de carga
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3. Filosofías de diseño
Diseño por esfuerzos admisibles (esfuerzos de trabajo) Cargas de servicio Esfuerzos admisibles
Diseño por estados límite Estados límite de falla
Resistencia última Estados límite de servicio
Deformaciones Vibraciones
METODOS DEDISEÑO
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3. Filosofías de diseño
Método de Diseño por esfuerzos admisibles (ASD):
Asume la misma variabilidad para todas las solicitaciones ( = cte.)
Escrito en otro formato
in QR
QFS
RR nadm
esfuerzosADMISIBLES
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3. Filosofías de diseño
Método de Diseño por factores de carga y resistencia (LRFD)
Basado en: Modelo probabilístico Calibración con ASD Evaluación de experiencias previas
uiin QQR
FACTORES DE CARGAY RESISTENCIA
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3. Filosofías de diseño
LRFD: Es una herramienta disponible. Más racional que ASD. Permite cambios más fácilmente que ASD. Puede ser adaptado para solicitaciones no
consideradas. Permite compatibilizar diseños con distintos
materiales. ASD:
Aún se sigue utilizando como método de diseño Rehabilitación/reparación de estructuras antiguas.
VENTAJASCOMPARATIVAS
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4. Cargas y combinaciones de carga
Especificaciones SEI/ASCE 7-02: Minimum Design Loads for
Buildings and Other Structures:
Reglamentos o códigos de construcción Eurocode 1: “Basis of Design and Actions on
Structures”. Reglamento de Construcciones para el Distrito
Federal
NORMASY GUIAS
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4. Cargas y combinaciones de cargaAISC Cargas muertas (D). Cargas vivas estáticas (L, Lr). Cargas vivas móviles (L). Impacto (I). Nieve (S). Viento (W). Sismos (E). Lluvia (R). Empuje de suelos (H). Inundación (F). Otros.
CARGAS
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4. Cargas y combinaciones de cargaRDF Cargas muertas Cargas vivas máximas Cargas vivas medias Cargas vivas instantaneas Granizo Viento Sismos Empuje de suelos Otros.
CARGAS
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Peso propio de la estructura. Peso propio de las terminaciones de pisos y muros. Peso de ductos y servicios. Peso de muros.
CARGAS MUERTAS
Losaestructural
4. Cargas y combinaciones de carga
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4. Cargas y combinaciones de cargaCARGAS VIVAS
Cargas vivas estáticas: Sobrecargas de uso
habitacional, de oficinas, de almacenamiento, de estacionamiento
Tráfico peatonal o vehicular Cargas distribuidas Cargas móviles
CARGASVIVAS
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4. Cargas y combinaciones de cargaCARGAS DE VIENTO
Velocidad máxima vmax de viento esperada (en N años) Localización geográfica Irregularidad del terreno
Presión básica q = q(vmax).
Variación de la presión en altura.
Modificación por Dirección de incidencia Inclinación de superficies
CARGASDE VIENTO
C2·q
C1·q
C3·q
C4·q
q(h)
Viento
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4. Cargas y combinaciones de cargaSISMO
Método elástico estático Método elástico dinámico
Q = Cs · W
CARGASSISMICAS
W1
M·a
Movimiento del suelo
W2
W1
Q1 + Q2 = Q
Cortante basal
W2
Q2
Q1
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4. Cargas y combinaciones de cargaAISC
Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02)
1. 1.4(D + F)
2. 1.2(D + F) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr or S or R)
3. 1.2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W)
4. 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R)
5. 1.2D + 1.0E + L + 0.2S
6. 0.9D + 1.6W + 1.6H
7. 0.9D + 1.0E + 1.6H
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de cargaAISC Combinaciones de carga ASD (ASCE 7-02)
D+ F D + H + F + L + T D + H + F + (Lr or S or R) D + H + F + 0.75(L + T ) + 0.75(Lr or S or R) D + H + F + (W or 0.7E) D + H + F + 0.75(W or 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr or
S or R) 0.6D + W + H 0.6D + 0.7E + H
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de carga RDF
Combinaciones de acciones
La seguridad de una estructura deberá verificarse para el
efecto combinado de todas las acciones que tengan una
probabilidad no despreciable de ocurrir simultáneamente,
considerándose dos categorías de combinaciones:
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de carga RDF
a) Para las combinaciones que incluyan acciones
permanentes y acciones variables, se considerarán
todas las acciones permanentes que actúen sobre la
estructura y las distintas acciones variables, de las
cuales la más desfavorable se tomará con su intensidad
máxima y el resto con su intensidad instantánea,
o bien todas ellas con su intensidad media cuando se
trate de evaluar efectos a largo plazo.
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de carga RDF
Para la combinación de carga muerta más carga viva,
se empleará la intensidad máxima de la carga viva,
considerándola uniformemente repartida sobre toda el
área. Cuando se tomen en cuenta distribuciones de la
carga viva más desfavorables que la uniformemente
repartida, deberán tomarse los valores de la intensidad
Instantánea.
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de carga RDF
b) Para las combinaciones que incluyan acciones
permanentes, variables y accidentales, se considerarán
todas las acciones permanentes, las acciones variables
con sus valores instantáneos y únicamente una acción
accidental en cada combinación.
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de carga RDF
Factores de carga
Para determinar el factor de carga, FC, se aplicarán las
reglas siguientes:
a) Para combinaciones de acciones clasificadas en el
inciso a), se aplicará un factor de carga de 1.4.
Cuando se trate de edificaciones del Grupo A, el factor
de carga para este tipo de combinación se tomará igual
a 1.5
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de carga RDF
b) Para combinaciones de acciones clasificadas en el
incisob, se tomará un factor de carga de 1.1 aplicado a
los efectos de todas las acciones que intervengan en la
combinación;
c) Para acciones o fuerzas internas cuyo efecto sea
favorable a la resistencia o estabilidad de la estructura,
el factor de carga se tomará igual a 0.9; además, se
tomará como intensidad de la acción el valor mínimo
probable
COMBOSDE CARGA
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4. Cargas y combinaciones de carga RDF
d) Para revisión de estados límite de servicio se tomará
en todos los casos un factor de carga unitario.
1.4 CM + 1.4 CV max
1.1 CM + 1.1 CV ins + 1.1 Aac
COMBOSDE CARGA
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5. Métodos de análisis
Método elástico Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo.
Miembros elásticos Pequeñas deformaciones
METODOELÁSTICO
y
E
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5. Métodos de análisis
Método elástico Límite de aplicación está dado por primera
fluencia de la sección
METODOPLÁSTICO
My
Fy
-Fy
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5. Métodos de análisis
Método elástico Resistencia de la estructura está dada por
primera fluencia o límite de deformación
METODOPLÁSTICO
Pymax
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5. Métodos de análisis
Existe reserva de resistencia en la sección
METODOPLÁSTICO
M1>My
Fy
-Fy
My
Fy
-Fy
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5. Métodos de análisis
Existe reserva de resistencia en la estructura (hiperestaticidad)
METODOPLÁSTICO
Rango elástico
P1≤Py
Plastificación de viga
P2>Py
Colapso
Pu>P2
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5. Métodos de análisis
Método plástico Material es elástico-perfectamente plástico.
No hay inestabilidad No hay fractura No hay fatiga
METODOPLÁSTICO
y
E
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5. Métodos de análisis
Método plástico Estado límite en la sección es plastificación
METODOPLÁSTICO
Mp
Fy
-Fy
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5. Métodos de análisis
Método plástico Estado límite en la estructura es colapso
METODOPLÁSTICO
Pu