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Métodos de Diseño
Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
Santiago, ChileOctubre de 2006
Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera
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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 sólidos y análisis estructural.
Producto es una estructura segura y económica que cumple su propósito (requisitos de diseño).
DISEÑOESTRUCTURAL
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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 DEUN 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 carga Modelo 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
simplificaciones excesivas durante análisis– Diferencias en el proceso constructivo
INCERTEZASSOLICITACIONES
Q
Solicitaciones
Qc
Probabilidad de exceder Qc
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2. Principios del diseño estructural
• Variabilidad de la resistencia– Imperfecciones geométricas– Tensiones 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
Índice de
Confiabilidad
Falla
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2. Principios del diseño estructural
• AISC-LRFD
INDICE DECONFIABILIDAD
Combinaciones de carga objetivo
Carga permanente + carga viva (o nieve) 3 para miembros
4.5 para uniones
Carga permanente + carga viva + viento 2.5 para miembros
Carga permanente + carga viva + sismo 1.75 para miembros
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3. Filosofías de diseño
• Diseño por tensiones admisibles (tensiones de trabajo)– Cargas de servicio– Tensiones admisibles
• Diseño por estados límite– Estados límite últimos
• Resistencia última
– Estados límite de servicio• Deformaciones
• Vibraciones
METODOS DEDISEÑO
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3. Filosofías de diseño
Método de Diseño por tensiones admisibles (ASD):
Asume la misma variabilidad para todas las solicitaciones ( = cte.)
Escrito en otro formato
in QR
QFS
RR nadm
TENSIONESADMISIBLES
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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”.– Códigos nacionales o regionales.
NORMASY GUIAS
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4. Cargas y combinaciones de carga
• 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 carga
• Peso propio de la estructura.• Peso propio de las terminaciones de pisos y muros.• Peso de ductos y servicios.• Peso de tabiques.
CARGASMUERTAS
Losaestructural
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4. Cargas y combinaciones de carga
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 carga
• 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 carga
• Método elástico estático
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 carga
• Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02)1. 1.4(D + F)
2. 1.2(D + F + T ) + 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 carga
• 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
![Page 26: Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y](https://reader033.vdocumento.com/reader033/viewer/2022061305/54aac3084979592e358b4683/html5/thumbnails/26.jpg)
5. Métodos de análisis
• Método elástico– Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo.
– Miembros elásticos– Pequeñas deformaciones
METODOELÁSTICO
y
E
![Page 27: Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y](https://reader033.vdocumento.com/reader033/viewer/2022061305/54aac3084979592e358b4683/html5/thumbnails/27.jpg)
5. Métodos de análisis
• Método elástico– Límite de aplicación está dado por primera fluencia de la
sección
METODOPLÁSTICO
My
Fy
-Fy
![Page 28: Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y](https://reader033.vdocumento.com/reader033/viewer/2022061305/54aac3084979592e358b4683/html5/thumbnails/28.jpg)
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
![Page 30: Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y](https://reader033.vdocumento.com/reader033/viewer/2022061305/54aac3084979592e358b4683/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 32: Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y](https://reader033.vdocumento.com/reader033/viewer/2022061305/54aac3084979592e358b4683/html5/thumbnails/32.jpg)
5. Métodos de análisis
• Método plástico– Estado límite en la sección es plastificación
METODOPLÁSTICO
Mp
Fy
-Fy
![Page 33: Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y](https://reader033.vdocumento.com/reader033/viewer/2022061305/54aac3084979592e358b4683/html5/thumbnails/33.jpg)
5. Métodos de análisis
• Método plástico– Estado límite en la estructura es colapso
METODOPLÁSTICO
Pu