EstadosDeCarga-1x2

Estados de cargaVictorio E. Sonzogni

UTN FRSF

Estados de carga p. 1

Estados de solicitacinLas estructuras se hallan sometidas a estados de solicitacin queproducen cambios en las fuerzas internas, deformaciones,desplazamientos, vibraciones, etc.El ingeniero debe indentificar los estados a que puede versesometida la estructura y verificar que frente a ellos continuedesempendose segn los criterios de diseo aceptables.No solamente se verifica el comportamiento frente a esos estadosde solicitacin, sino tambin frente a la ocurrencia simultnea devarios de ellos.

Los estados de solicitacin pueden clasificarse segn diferentescriterios. A continuacin se ordenarn segn: la naturaleza de suaccin sobre la estructura; segn el tipo de respuesta estructural quegenera; y segn el tiempo de actuacin.


Clasificacin de las acciones segn su naturaleza

Aceleraciones aplicadas sobre la estructuraFuerzas aplicadas sobre la estructuraDesplazamientos relativosCambios de volumenModificacin de las propiedades mecnicas



Aceleraciones aplicadas sobre la estructuragravedadsismosvibraciones de maquinarias

Fuerzas aplicadas sobre la estructurapeso de la construccinsobrecargasempujes (de suelos, lquidos, granos)presin del viento



Desplazamientos relativos

descenso de un apoyodeformaciones de montaje

Cambios de volumen

deformaciones trmicasretraccin por fraguadofluencia lenta

Modificacin de las propiedades mecnicas

accin del fuego


Clasificacin de las acciones segn la respuesta estructural

Acciones estticasPermanecen constantes o casi invariablesEj.

peso propio y cargas muertasempuje de lquidos, suelos o materiales sueltosfuerzas de pretensado



Acciones dinmicasVaran en el tiempo con rapidez tal que producenaceleraciones en la construccin.Estas aceleraciones sobre la masa produce fuerzasde inercia variables en el tiempo.Es necesario hacer un anlisis dinmico de larespuesta.Las acciones dinmicas, a su vez, pueden ser dedistintos tipos


Acciones dinmicasArmnicas

vibracin de mquinas rotantesPeridicas

Trnsito de vehculosImpulsivas

explosionesimpacto de vehculos o proyectiles

Transitorias generales

aceleraciones de terremotospresiones del viento



Acciones seudoestticasSon cargas que varan con el tiempo, pero su variacines tan lenta que no producen aceleraciones deimportancia en la construccin, y por consiguiente noproducen fuerzas de inercia.En estos casos se estudian como cargas estticas,pero que varan con el tiempo.Ej:

fluencia lentasobrecarga (si vara en forma lenta)


Clasificacin de acciones segn el perodo de accin

Reglamento CIRSOC 105 Superposicin de accionesAcciones permanentesTienen un tiempo de aplicacin muy prolongado. En general su valorsuele permanecer aproximadamente constante.Acciones variablesPresentan variaciones frecuentes y contnuas. Tienen una altaprobabilidad de ocurrencia. Las variaciones de su valor sonimportantes.Acciones accidentalesEstas acciones tienen una probabilidad muy pequea de actuacin,pero con valores muy significativos. En realidad la magnitud quealcanzan hace que se las considere en el clculo a pesar de suescasa probabilidad de ocurrencia.



Cargas Accidentales

Cargas Variables

Tiempo

Tiempo

TiempoCargas Permanentes



Acciones permanentespeso propio de la estructurapeso de los elementos constructivos no estructuralesempuje de suelosempuje (continuado) de lquidosfuerzas de pretensadodeformaciones impuestas durante la construccincedimientos de apoyos



Acciones variablescargas de uso y sobrecargascargas mvilesacciones del vientoacciones de la nieveacciones de la temperaturaacciones del hieloacciones de granos y materiales sueltosacciones de maquinarias y equiposacciones de sismos frecuentes



Acciones accidentalesimpacto de vehculos o proyectilesexplosionessismos excepcionalestornadosfuego


Reglamentos CIRSOCR.C. 101: Cargas y Sobrecargas Gravitatorias p/ Estructuras deEdificiosR.C. 102: Accin del VientoRecom. C. 102-1: Accin dinmica del vientoR. INPRES-C. 103: Const. Sismorresistentes (Tomos I, II y III)R.C. 104: Accin de la Nieve y del HieloRecom. C. 105: Superp. de Acciones (Combinacin Estados deCarga)Recom. C. 106: Dimensionamiento del Coef. de SeguridadRecom. C. 107: Accin Trmica ClimticaR.C. 108 : Cargas de Diseo p/ Estruct. durante su Construccin


Cargas gravitatorias

Las cargas debido al peso de los elementos estructurales y noestructurales se evalan calculando su volumen y multiplicndolo porel peso especfico de cada material. El Reglamento C.101proporciona tablas con el peso especfico de materiales.Se deben incluir entre las cargas permanentes la de aquellosequipos fijos (por ej, instalaciones sanitarias, equipos de aireacondicionado, etc.)Los tanques de agua deben considerarse con el total de su carga.Cuando las cargas gravitatorias tenga efecto estabilizante deberconsiderarse adems la situacin con su menor peso (por ej. untanque vaco)


Empuje de materiales sueltosEntre las cargas permanentes se considera:

Empuje de agua en presas, tanques, etc.Subpresin de agua en losas de fundacin bajo el nivel fretico.Empuje de suelos sobre muros de contencin, paredes destanos, etc.

Empuje de granos y materiales sueltos, en depsitos, silos, etc. seconsideran como acciones variables.

p =k zh a g

z


Sobrecargas

Las cargas de uso o sobrecargas son las cargas variablesproducidas por los objetos, personas o vehiculos que pueden incidirsobre la estructura.

El Reglamento C.101 da los valores mnimos a tener en cuenta paralas sobrecargas de uso para cada local. (Por ej. locales habitablesvan entre 200 y 500kgf/m2 segn el uso).


Sobrecargas

Si las sobrecargas son determinantes en la estructura, se deberaconsiderar la ubicacin que produzca los efectos ms desfavorablespara cada cada seccin de la estructura.Por ejemplo, la posicin de sobrecargas para momentos mximos deapoyo en A, y de tramo en B se muestran en la siguiente figura:

A

B


Reduccin de sobrecargasSe permite reducir la sobrecarga cuando la probabilidad deocurrencia simultnea de los valores mximos en el rea tributariasea baja.Por ejemplo: en una columna (o base) de planta baja de un edificiode viviendas de 10 pisos, la probabilidad de que todos los pisosestn cargados con la mxima sobrecarga es baja. En ese caso sepuede reducir la sobrecarga con los siguientes factores (Cirsoc101-1982, IRAM 11599, DIN 1055...):

Planta en orden de-crec. de sobrec.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 >10

% reduc sobrec. porplanta

0 0 0 20 40 60 80 80 80 40

La reduccin no puede ser mayor a 100kg/m2 por planta


Accin del viento

El viento produce varias acciones sobre las construcciones:Una presin esttica sobre las paredes exteriores (e interiores)de las edificacionesUna accin dinmica que adquiere distintas forma y afecta sobretodo a las estructuras ms flexibles.En casos puntuales, puede haber fenmenos violentos(tornados, huracanes) de gran poder destructivoEn estos casos, adems de las presiones del viento, este puedearrojar proyectiles que impacten sobre las construcciones.

La accin del viento ser objeto de un captulo aparteEst reglamentada en el R.C 102 (versiones 1982 y 2005)


Efectos de la temperatura


Efectos de la temperatura

Los cambios de temperatura producen cambios de volumen en losmateriales.

Una estructura isosttica podr deformarse libremente frente acambios de temperatura, sin que aparezcan tensiones.Una estructura hiperesttica est impedida de deformarse librementey frente a dilataciones/contracciones trmicas, se originan tensiones.Hay que prever juntas de dilatacin en las construcciones quepermitan absorber las dilataciones/contracciones sin producirtensiones.

Este tema se estudiar en un captulo aparte.


Accin de los sismos

El terremoto produce una aceleracin de la base de la construccinque genera vibraciones, deformaciones y fuerzas de inercia en eledificio.

La norma 103 indica como proceder para su diseoLos tomos II, II y IV de esa norma tienen prescripciones para eldiseo de estructuras de mampostera, hormign armado y acero,respectivamenteEl diseo antissmico ser objeto de un captulo aparte.


Cargas de impacto

Es una accin accidental, cuya probabilidad de ocurrencia puede serbaja.Slo es necesario tenerla en cuenta si se trata de construcciones dealto riesgo implcito para la sociedad, o cuando el impacto puedetener consecuencias catastrficas.En construcciones especiales (centrales nucleares, etc.) seconsidera el impacto de eventuales proyectiles, tales como el de unaaeronave.

En edificios corrientes, una columna de ochava puede ser crticafrente al impacto de un vehculo. Se trata de evitar situaciones comoesas. Si existieran, la norma DIN 1055 considera una accinhorizontal esttica para representar la posibilidad del impacto.


Carga de impacto de una aeronave

0 50 100 150 200 250 300 3500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tiempo (ms)

F ue r

z a ( M

N )

Fuerza de impacto de un Boeing 707-320, a velocidad de 103m/s. Curvasimplificada obtenida por J. Riera, para anlisis dinmico de centralesnucleares.


Cargas de impacto

F

En columnas de edificaciones que estn expuestas al impacto devehculos, la norma DIN 1055 indica considerar una fuerza horizontal(esttica) a 1, 20m de altura con valor 50t para columnas esquinas, ode 25t para otras columnas.Se trata de evitar el emplazamiento de columnas en ochavas,derivando las fuerzas hacia otras columnas y bases en la estructura.


IncendiosLos incendios son estados accidentales.

Dependiendo de la construccin podr ser importante considerarloentre los estados de solicitacin.Suponiendo una adecuada aislacin, de modo que el fuego noqueme la estructura, el efecto del fuego aparece por una dobleincidencia:

Hay elevado aumento de temperatura, con lo cual se originanimportantes dilataciones, deformaciones y tensiones;La temperatura modifica las propiedades mecnicas reduciendola resistencia estructural.

Se define una Resistencia al fuego como el tiempo (en minutos)durante el cual un elemento estructural mantiene sus propiedades.Las estructuras de acero son vulnerables al fuego y hay que preveraislacin.


Combinacin de estados de carga

Combinacin de estados de carga segn CIRSOC 105 (1982)La recomendacin CIRSOC 105 indica la siguientes frmulas paraevaluar la accin combinada de los distintos estados de carga, yasea durante una verificacin frente a

un estado lmite ltimoun estado lmite de utilizacin

Para ciertos casos hay frmulas especficas, ver por ejemplo elReglamento CIRSOC 103 Accin del sismo sobre lasconstrucciones.



Para un estado lmite ltimo

Como solicitacin ltima, en cada seccin de la estructura, debe tomarse:

Su = [SP + SV +

ni=1

0,iSki]

La letra S hace referencia a una solicitacin en alguna seccin de la estructura. (Ej:momento flector M , esfuerzo normal N , o cortante Q, momento torsor T , tensinnormal , etc.)Segn el subndice que la acompaa S adopta los siguientes significados:Su: solicitacin lmite ltima a considerar para el clculoSP : solicitacin debida a cargas permanentesSV : solicitacin por carga variable considerada principal para esta combinacinSki: solicitacin debida a otras causas variables0,i: coeficiente de probabilidad de ocurrencia simultnea, (Tabla 1 de la laRecomendacin CIRSOC 105), un valor tpico 0 = 0, 6: coeficiente de seguridad. ( = 1, 75 : falla con aviso previo ( flexin); y = 2, 10:falla sin aviso previo ( corte o compresin).



Para un estado lmite ltimo

Si existen cargas accidentales (sismo severo, impacto de vehculos, explosiones, etc.),se tomar adems la siguiente solicitacin ltima:

Su = SACC + SP + 1,1SV +ni=1

2,iSki

Siendo SACC la solicitacin debida a las acciones accidentales.El resto de las solicitaciones tiene el significado indicado anteriormente.Debe observarse que en este caso no se multiplica por el coeficiente de seguridad pues la accin accidental ya considera un valor del tipo ltimo.



Para un estado lmite servicio o utilizacin

La solicitacin de servicio puede calcularse con la frmula:

Ss = SP + SV +ni=1

1,iSki

donde las variables tienen el mismo significado que anteriormente y 1,i se obtienede la Tabla 1 de la Recomendacin CIRSOC 105.Con la solicitacin de servicio Ss deben verificarse los desplazamientos, la fisuracin,las vibraciones, etc., as como los elementos no estructurales: paredes, vidrios,revestimientos, etc.



Segn la norma ACI 318

El procedimiento de diseo de la ACI 318 indica que para cualquier seccin de laestructura de debe verificar

Resistencia de diseo Resistencia requerida

donde resistencia de diseo, es la resistencia que la seccin posee, minorada por unfactor de reduccinresistencia requerida es la solicitacin resultante de las cargas actuantes , afectadaspor coeficientes de mayoracin.


Combinacin de estados de carga s/ACI 318

Resistencia requerida (U )Combinacin de solicitaciones en la seccin debido a las cargas de servicio delcdigo, multiplicadas por factores de carga.El CIRSOC 201-2002 (y la ACI 318) usan la siguiente nomeclatura para cargas osolicitaciones:

D = cargas permanentesE = efectos ssmicosF = cargas debidas al peso y presin de fluidosH = cargas por peso y presin lateral de suelo, agua en el suelo, u otrosmaterialesL = sobrecargasLr = sobrecargas en las cubiertasR = cargas provenientes de la lluviaS = carga de nieveT = efectos de contraccin o expansin resultante de variaciones detemperatura, fluencia lenta, retraccin, etc.U = resistencia requerida para resistir las cargas mayoradasW = carga de viento



Las combinaciones de estados de carga pueden adoptar la forma simplificada:Si se tiene solamente carga permanente (D) y sobrecarga (L)

U = 1, 4D

U = 1, 2D + 1, 6L

Si se tiene solamente carga permanente (D), Sobrecarga (L) y Viento (W)U = 1, 2D + 1, 6L+ 0, 8W

U = 1, 2D + 1, 0L+ 1, 6W

U = 0, 9D + 1, 6W

Si se tiene solamente carga permanente (D), Sobrecarga (L) y Carga ssmica (E)U = 1, 2D + 1, 0L+ 1, 0E

U = 0, 9D + 1, 0E



Para otras cargas presentes, la seccion 9.2 del CIRSOC 210-2002 (ACI 318) , ascomo el CIRSOC 103-2000 dan las siguientes combinaciones:

U = 1, 4(D + F )

U = 1, 2(D + F + T ) + 1, 6(L+H) + 0, 5(Lr S R)U = 1, 2D + 1, 6(Lr S R) + (1, 0L 0, 8W )U = 1, 2D + 1, 6W + 0, 5L+ 1, 0(Lr S R)U = 1, 2D + 1, 0E + 1, 0L+ 0, 2S

U = 0, 9D + 1, 6W + 1, 6H

U = 0, 9D + 1, 0E + 1, 6H



Resistencia de diseoLa resistencia de diseo es la resistencia nominal multiplicada por un factor dereduccin de resistencia .La resistencia nominal es la resistencia de un elemento o seccin transversalcalculada usando las hiptesis y ecuaciones de resistencia del Mtodo de Diseo porResistencia, antes de aplicar cualquier factor de reduccin de la resistencia.Los factores de reduccin de la resistencia (seccin 9.3.2):1. En secciones controladas por traccin: = 0, 902. Secciones controladas por compresin: elementos con armadura en espiral (sec.

10.9.3) = 0, 70; otros elementos armados = 0, 653. Corte y torsin = 0, 754. Aplastamiento del hormign (excepto p/zonas anclaje postesado) = 0, 655. Zonas de anclaje de postesado = 0, 856. Modelos de bielas (Apndice A) = 0, 757. Flexin sin carga axial en elem. pretesados con long. embebida del cordn

menor que long. anclaje ld (art. 12.9.1.1) = 0, 758. Para hormign estructural simple: = 0, 55



Para casos de flexin compuesta



Para el caso de combinaciones de carga que incluyan sismo, se deben utilizar losvalores de establecidos en el Reglamento INPRES-CIRSOC 103-2000, Parte II:1. Cuando la resistencia requerida se basa en las solicitaciones mximas posibles

que se desarrollan teniendo en cuenta la sobrerresistencia de las rtulasplsticas : = 1, 00

2. Cuando la resistencia requerida se basa en las solicitaciones correspondientes ala combinacin de estados de carga:

Flexin con o sin traccin/compresin: = 0, 90Corte y torsin: = 0, 85Aplastamiento del hormign: = 0, 70


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