Diseño por el Método de la resistencia

ESTRUCTURAS DE MADERA ANEXO CAPÍTULO II

Diseño por Resistencia o LRFD (Load and Resistance Factor Design).-

El término LRFD (Load and Resistance Factor Design), que en español se traduce a:

Diseño por Factores de Carga y Resistencia, en los cuales sobresalen los términos:

Resistencia, que se refiere a la capacidad de cada miembro estructural, como por ejemplo la

resistencia a los momentos, resistencia a la tensión, etc. Dichas resistencias están tabuladas

y se encuentran en los anexos de la norma, junto con los factores de resistencia.

Esfuerzos, que se refiere a valores de la propiedades del material; los valores de resistencia

que maneja la norma LRFD son equivalentes a los valores de las tensiones admisibles.

En ASD los niveles de tensiones permisibles son muy bajos, y las magnitudes de las cargas

están fijadas solo para niveles de servicio. Esta combinación produce diseños que se

mantienen en niveles de seguridad altos y que permanecen económicamente factibles.

Desde el punto de vista del ingeniero el proceso de diseño del LRFD es similar al ASD. La

diferencia más obvia entre LRFD y ASD es que los valores de la resistencia y los efectos

producidos por las cargas en LRFD son numéricamente más grandes que en ASD, ya que

estos son muy próximos a magnitudes halladas en muchos ensayos, y no reducen de manera

significativa el coeficiente de seguridad interno. Los efectos de las cargas son más grandes

a causa de que ellas son multiplicadas por los factores de carga que están en el rango de

1.2 a 1.6.

En el método de los esfuerzos admisibles, estas cargas de servicio se usan directamente,

mientras en el método de las resistencias se modifican multiplicándolas por un factor de

carga para producir una carga de diseño llamada carga factorizada.

El segundo paso en el proceso de diseño, es el de evaluar la respuesta en la estructura al

tipo de carga, y, en especial, a la magnitud de carga requerida determinada. En el método

de los esfuerzos admisibles, esta evaluación consiste en cierta forma de análisis de

esfuerzos. En el método de la resistencia, la evaluación se hace para establecer la condición

límite (resistencia última) para la estructura según el tipo de carga. Para responder a las

diferentes condiciones esta resistencia limitante se multiplica por un factor de resistencia

para usarse en el diseño.

Cargas factorizadas.- Las cargas que actúan sobre las estructuras provienen de diferentes

fuentes, las primarias son la gravedad, el viento y los sismos. Para usarse en el análisis o en

el trabajo de diseño, las cargas deben, primero, identificarse, medirse y cuantificarse de

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alguna manera y, luego, factorizarse (para el método de la resistencia). En la mayoría de las

situaciones, también deben combinarse en todas las maneras posibles que sean

estadísticamente probables, lo que a menudo produce más de una condición de carga para

el diseño.

El “Uniform Building Code” (Reglamento de Construcciones Uniformizadas) requiere la

combinación de las siguientes combinaciones de condiciones mínimas para cualquier

estructura:

1. Carga muerta + carga viva de piso + carga viva de techo(o nieve).

2. Carga muerta + carga viva de piso + carga de viento (o sismo).

3. Carga muerta + carga viva de piso + carga de viento + carga de nieve/2.

4. Carga muerta + carga viva de piso + carga de nieve + carga de viento/2.

5. Carga muerta + carga viva de piso + carga de nieve + carga sísmica.

Esto no es todo para muchas estructuras, debido a problemas especiales. Por ejemplo, la

estabilidad de un muro sometido a fuerza cortante es crítica para una combinación de carga

muerta y carga lateral (viento o sismo). Las condiciones de esfuerzo a largo plazo o los

efectos de la deformación plástica por fatiga del concreto con solo carga muerta como una

condición de carga permanente. Al final debe prevalecer un buen juicio de diseño del

ingeniero para concebir las combinaciones realmente necesarias.

Una sola combinación de carga prevalece para la consideración del efecto máximo sobre

una estructura dada. Sin embargo, en estructuras complejas (armaduras, arcos de edificio

resistentes a los momentos, etc.) los miembros individuales por separado se diseñan para

diferentes combinaciones de carga crítica. Si bien la combinación crítica para estructuras

simples algunas veces se percibe con facilidad, otras es necesario el realizar análisis

completos para muchas combinaciones y luego comparar los resultados en detalle para

evaluar las verdaderas condiciones de diseño.

Los factores para el método de las resistencias se aplican individualmente a los diferentes

tipos de carga (muerta, viva, viento, etc.). Esto contribuye a la complejidad, ya que también

es posible hacerlos variar en combinaciones diferentes. En una estructura compleja e

indeterminada, esto puede conducir a una montaña de cálculos para el análisis completo de

todas las combinaciones.



Las combinaciones de carga para ser usadas en diseño LRFD 1996:

Donde:

D : Carga muerta.

L : Carga viva causada por almacenamiento, ocupación o impacto.

Lr : Carga viva de techo.

S : Carga de nieve.

R : Carga causada por agua de lluvia o hielo.

W : Carga de viento.

E : Carga de Sismo.

Los factores de carga dadas en las anteriores ecuaciones intentan proveer un nivel

consistente de fiabilidad para un rango de valores de diferentes tipos de carga.

Factores de resistencia.- La factorización (modificación) de las cargas es una forma de

ajuste para el control de la seguridad en el diseño por resistencia. El segundo ajuste básico

esta en modificar la resistencia cuantificada de la estructura. Esto conduce a determinar

primero su resistencia en algunos términos (resistencia a la compresión, capacidad de

momento, límite de pandeo, etc.), y luego reducirla en algún porcentaje. La reducción (el

factor de resistencia) se basa en diferentes consideraciones, incluyendo el interés por la

confiabilidad de las teorías, el control de la calidad de producción, la capacidad de predecir

comportamientos con precisión, etc.

Normalmente, el diseño por resistencia consiste en comparar la carga factorizada (la carga

incrementada en cierto porcentaje) con la resistencia factorizada (la resistencia reducida en

cierto porcentaje) de la estructura sometida a cargas. Así, aunque los factores de carga



puedan parecer bajos en algunos casos, la aplicación de los factores de resistencia conducen

hasta un cierto punto a una magnificación del nivel de porcentaje de seguridad.

Para proveer flexibilidad adicional y alcanzar una fiabilidad consistente a través de un

rango para las aplicaciones de los productos, los factores de resistencias son aplicados a los

valores referenciales de resistencias. Los factores de resistencia () son siempre menores a

la unidad. La magnitud de los factores de resistencia representa una reducción relativa

requerida para lograr niveles de fiabilidad comparables.

Según la norma LRFD los factores de resistencia para productos basados en madera y

conexiones son:

Compresión: c = 0.90

Flexión: t = 0.85

Estabilidad: s = 0.85

Tensión: t = 0.80

Corte / Torsión: v = 0.75

Conexiones: z = 0.65

Factores de efecto del tiempo.-

Los factores de efecto del tiempo () de la norma LRFD es el equivalente al factor de

duración de la carga en ASD. Los factores de efecto del tiempo están tabulados en la tabla

1.4-2 de la norma LRFD para cada ecuación de combinación de carga. Estos factores

fueron hallados en base al análisis de fiabilidad que consideraban la variación de las

propiedades resistentes de esfuerzos, según procesos de modelación de cargas estocásticas

y efectos de deterioro acumulado. Debido a que los esfuerzos referenciales están basados en

ensayos con aplicación de cargas con duración corta, los factores de efecto del tiempo son

iguales a la unidad para combinaciones de carga en los cuales no ocurre una acumulación

de deterioro. Los factores de efecto del tiempo están en el rango de 1.25 para

combinaciones de carga en las que predominan las cargas de impacto, hasta 0.6 para

combinaciones de carga en las que predominan la carga muerta.



Limites de servicio.-

En adición del diseño de edificaciones por los estados límites de esfuerzos, los diseñadores

deben de determinar los estados límites de servicio considerados para una aplicación dada.

Los limites de servicio usados mas comúnmente en el típico diseño de edificaciones

compuestas por barras de madera es la limitación de la deflexión para miembros que

componen la cobertura de cada piso o nivel. Los códigos de construcción han definido

tradicionalmente estos límites como una fracción de la longitud del miembro a analizar. Por

ejemplo el límite de L/360 para una solicitación de carga viva, o L/240 para una

solicitación de la carga total es común para analizar los pisos de un edificio.

Mientras los límites tradicionales de deflexión estática fueron originalmente desarrollados

para limitar la rotura de los materiales de acabado con características quebradizas, estos

valores también sirven igualmente en aplicaciones de luces cortas para reducir los

problemas de vibración. Como el diseño de productos de madera también envuelven

elementos de grandes luces con miembros de pesos ligeros, se ha puesto común para los

fabricantes recomendar un criterio de deflexión más severo.


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