Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“PROYECTO
T
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
OSCAR ALBERTO POMPOSO NERI
ING. FELIPE DE JESUS
1
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE
INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“PROYECTO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL”
T E S I
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECANICO.
PRESENTA
OSCAR ALBERTO POMPOSO NERI
ASESORES DE TESIS:
ING. FELIPE DE JESUS GARCÍA MONROY
ING. CARLOS DARIO FLORES JAIMES
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL”
S:
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
MECANICO.
OSCAR ALBERTO POMPOSO NERI
GARCÍA MONROY
ING. CARLOS DARIO FLORES JAIMES
2
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Dedicado a:
Mis padres que todo el tiempo me dedicaron su
vida para forjarme y animarme durante este largo
camino.
A ti hija que eres mi mejor regalo de graduación
y ahora eres mi vida así como a chicharito que
será mi nueva bendición. A mi esposa por el
apoyo con este final de mi carrera Myr.
Mis compadres del alma Monchis , Pablito,
Edgar, Mary, Guarneros, Checo, Auro, Víctor,
Roberto, Nicolás, Héctor así como los FORTES
y mis ex compañeros de Jumex.
3
INTRODUCCIÓN:
A lo largo de la carrera del Ingeniero Mecánico, se fueron obteniendo el conocimiento
de cada una de sus materias para poder formarnos como ingenieros y después poder
desarrollar y resolver problemas planteados en la vida cotidiana como son la puesta en
marcha de industrias, que apoyaran al desarrollo Nacional.
El conocimiento obtenido en los últimos tres siglos junto con las teorías y técnicas de
análisis desarrolladas, permiten al moderno ingeniero diseñar estructuras y maquinas
seguras y funcionales de tamaño y complejidad sin precedentes, teniendo en cuenta
tres requisitos indispensables: resistencia, rigidez y estabilidad de los diversos
elementos además que a nivel práctico en la industria es necesario cubrir otros
requisitos como costos y eficiencia.
El ingeniero mecánico encuentra en el acervo un campo de actividad muy interesante
y variado, resultante a la vez de una combinación de la mecánica, diseño estructural,
mecánica de materiales, estítica, dinámica, métodos numéricos, ciencia de los
materiales, procesos de manufactura, etc.
La ingeniería mecánica interviene de manera directa en todas las ramas de la
ingeniería, sus métodos son necesarios para sus diseñadores en todo tipo de
estructuras y maquinas como en toda rama del saber, hay conceptos que son
fundamentales para una comprensión satisfactoria de la materia.
4
INDICE
INTRODUCCION 1 OBJETIVO 2 JUSTIFICACION 3 UNIDAD I
CRITERIOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL.
1.1 Diseño estructural. 5
1.2 Proceso del diseño estructural. 8
1.3 Herramientas de diseño. 13
1.4 Estados límite. 18
1.5 Acciones de diseño. 20
1.6 Resistencia de diseño. 22
UNIDAD II
DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO.
2.1 Ventajas del acero como material estructural. 23
2.2 Desventajas del acero como material estructural. 24
2.3 Perfiles de acero. 25
2.4 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural. 26
2.5 Diseño económico de miembros de acero. 29
2.6 Fallas en estructuras. 30
2.7 Exactitud de cálculos. 32
UNIDAD III
ESPECIFICACIONES, CARGAS Y MÉTODOS DE DISEÑO.
3.1 Especificaciones y códigos de construcción. 33
3.2 Cargas muertas. 34
3.3 Cargas vivas. 35
3.4 Filosofías del diseño y confiabilidad de las especificaciones LRFD. 36
3.5 AISC – Diseño con factores de carga y resistencia LRFD. 39
3.6 AISC – Diseño por esfuerzos permisibles (ASD). 40
3.7 AISC – Diseño plástico. 41
3.8 Por qué se recomienda utilizar el método LRFD? 42
3.9 Análisis de las estructuras. 43
5
UNIDAD IV
ANÁLISIS SÍSMICO.
4.1 Coeficientes y espectros de diseño sísmico. 45 4.2 Factores de seguridad – ASD y LRFD Comparados. 46
4.3 Elección del tipo de análisis 54 UNIDAD V
DISEÑO POR VIENTO. 5.1 Alcance. 57 5.2 Requisitos generales para el análisis y diseño estructural. 57 5.3 Clasificación de las estructuras según su importancia. 59 5.4 Efectos de viento que deben considerase 62 5.5 Procedimiento para determinar las acciones por viento. 64 5.6 Análisis estático. 70 UNIDAD VI
CONSIDERACIONES GENERALES.
6.1 Antecedentes. 74 6.2 Consideraciones prediales. 74 6.3 Colindancias. 74 6.4 Topografía. 75 6.5 Proyecto Arquitectónico. 75 6.6 Mecánica de suelos. 76 6.7 Proyecto estructural. 76 6.8 Reglamentos de diseño. 77 UNIDAD VII
CONSIDERACIONES DEL PROYECTO Y CALCULO ESTRUCTURAL
7.1 Levantamiento del terreno. 80 7.2 Mecánica de suelos. 86 7.3 Alcances. 90 7.4 Datos Generales de proyecto. 90 7.5 Criterios de estructuración del edificio 90 7.6 Criterios De calculo del edificio 91 7.7 Resultados de calculo 92
CONCLUSIONES 129
BIBLIOGRAFIA 130
6
OBJETIVO:
El objetivo principal de esta tesis es dar una introducción al análisis y diseño
estructural de una nave industrial, utilizando estructuras de acero. Se realiza para un
proyecto específico, pero se pretende que pueda ser utilizado como marco de
referencia para futuros proyectos, es enfocada para los estudiantes de ingeniería
mecánica que están estudiando la carrera o para aquellos ingenieros recién egresados
que se encuentran en un ámbito laboral.
En la realización de esta tesis y con el paso del tiempo y con el consecuente
desarrollo de Software y hardware, destinados a la solución de problemas estructurales,
se introduzca a un proceso viejo y deteriorado, sin embargo las investigaciones sobre
las cuales se basa esta tesis nos han demostrado que por la sencillez, tanto de
aprendizaje como de realización, es sumamente utilizado y conocido por los ingenieros
mecánicos dedicados al diseño estructural. Estas aportaciones hacen que esta tesis
esta realizada bajo bases solidas, que a pesar del paso del tiempo servirán al quehacer
estructural.
7
JUSTIFICACION
La siguiente tesis está enfocada en el diseño, proyecto y manufactura, en la utilización
del acero en estructuras y elementos mecánicos, el cual se desarrolla para poner en
práctica los conocimientos adquiridos en la carrera de ingeniería mecánica, a
desarrollar los conocimientos suficientes para culminar su preparación como ingeniero
mecánico, es decir el nivel de exigencia de esta tesis otorgara habilidades esenciales
para el desarrollo de una estructura de acero.
El porqué desarrollar específicamente este tema, es debido a que es un proyecto que
pondrá a prueba los conocimientos adquiridos en las materias de Estática, Dinámica,
Mecánica de los Materiales I, Mecánica de los Materiales II Proyecto Mecánico,
Estructuras, etc., y que puede ser de gran ayuda para desenvolverse en el área de la
iniciativa privada, pero más específicamente en el área de estructuras de acero.
Nave Industrial, desde que inicio la era industrial el hombre ha tenido la necesidad de
tener un espacio protegido de la intemperie e inclemencias del tiempo, donde puede
hacer uso de maquinaria y materia prima para elaborar productos de uso domestico,
agrícola, industrial, etc. En un principio la solución que se dio, fue la de construir
edificaciones de un solo techo de acuerdo a la tecnología de la época.
En la actualidad la industria requiere de edificios con mayores dimensiones libres,
versátiles y económicas.
Una de las clasificaciones de edificios los subdivide en tres categorías: edificios
comerciales de varios pisos, edificios de claros muy grandes y edificios de un solo piso
para uso industrial, de este tipo de edificios es del que se trata principalmente esta
tesis.
Estructuras de acero, Durante mucho tiempo el material que se ha utilizado es
la madera para fabricar armaduras, material que en algunos países es más
abundante y por lo tanto de menor costo inicial, a pesar de esto la madera
requiere de mayor costo en mantenimiento y es poco duradera, además su
resistencia es poco comparada con otros materiales que son fabricados como los
son, el concreto y el acero, los cuales se utilizan cada vez más en las construcciones.
8
De estos dos últimos el más empleado para construir edificios industriales es el
acero, por su gran cantidad de ventajas con respecto a las estructuras de
concreto reforzado como son: alta resistencia, uniformidad, elasticidad,
durabilidad, ductilidad, tenacidad, ampliaciones de estructuras existentes, etc.
Marcos rígidos, Los marcos rígidos de alma llena constituyen una
alternativa ventajosa en muchos casos para la construcción de naves
industriales. Sin embargo, la solución óptima de este tipo de marcos implica el
uso de barras de sección variable, con el objeto de reducir el volumen del acero
estructural y en consecuencia el costo de la estructura.
Es verdad que la relación volumen de material y costo no es directa, ya que en
ocasiones la adopción de miembros de sección variable involucra la
necesidad de operaciones constructivas más complejas, para cortar y armar el
acero que constituye este tipo de barra, por lo que bien puede suceder que lo que
se ahorre en volumen de acero, quede sobrepasado por el incremento de costo
de los procedimientos empleados en la fabricación de la estructura.
Cabe comentar que la observación anterior no es válida cuando se aplican
avances tecnológicos de punta en la fabricación de los marcos, ya que el empleo
de dispositivos automatizados y robotizados para el corte y la soldadura de placas,
permite que el ahorro en volumen se refleje en ahorros efectivos en el costo.
Por lo anterior el empleo de narcos de sección variable es una alternativa común en
las zonas industriales más desarrolladas de nuestro país, en donde es posible la
aplicación de las tecnologías más avanzadas ya mencionadas y por lo tanto se da una
reducción efectiva de los costos.
Es por ello que en la presente tesis se eligió tratar con la Nave Industrial a base de
marcos rígidos, columnas y vigas de acero estructural (A – 50).
9
UNIDAD I
CRITERIOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
1.1 DISEÑO ESTRUCTURAL.
El diseño estructural abarca las diversa actividades que desarrolla el Ingeniero
Mecánico para determinar la forma, dimensiones y características detalladas de una
estructura, o sea de aquella parte de una estructura que tiene como función
absorber las cargas solicitadas que se presentan durante las distintas etapas de su
existencia.
El diseño estructural se encuentra incluido en el proceso más general del proyecto de
una obra, en el cual se definen las características que debe tener la construcción
para cumplir de manera adecuada las funciones que está destinada a
desempeñar. Un requisito esencial para que la construcción cumpla sus funciones es
que no sufra fallas o mal comportamiento debido a su incapacidad para soportar
las cargas que sobre ella se imponen. Juntó con éste, deben cuidarse otros
aspectos, como los relativos al funcionamiento y a la habitabilidad, que en
general son responsabilidad de otros especialistas. Evidentemente, dada la
multitud de aspectos que deben considerarse, el proceso mediante el cual se crea
una nave Industrial moderna puede ser de gran complejidad.
Una Nave Industrial puede concebirse como un sistema, entendiéndose por un
sistema un conjunto de subsistemas y elementos que se combinan en forma ordenada
para cumplir con determinada función. Una Nave Industrial, por ejemplo, está
integrado por varios subsistemas: el de los elementos arquitectónicos para encerrar
espacios, el estructural, las instalaciones eléctricas, las sanitarias, las de
acondicionamiento de aire, etc. Todos estos subsistemas interactúan de modo que
en su diseño debe tenerse en cuenta la relación que existe entre ellos. Así, no puede
confiarse que lograr la solución óptima para cada uno de ellos, por separado,
conduzca a la solución óptima para la nave Industrial en su totalidad.
Con demasiada frecuencia esta interacción entre los subsistemas de una
construcción se considera sólo en forma rudimentaria. En la práctica tradicional el
diseño de una nave Industrial suele realizarse por la superposición sucesiva de los
proyectos de los diversos subsistemas que lo integran. El arquitecto propone un
proyecto arquitectónico a veces con escasa atención a los problemas estructurales
10
implícitos en su diseño. El estructurista procura adaptarse lo mejor posible a
los requisitos arquitectónicos planteados, con frecuencia con conocimiento
limitado de los requisitos de las diversas instalaciones. Por último, los proyectistas
de éstas, formulan sus diseños con base en los proyectos arquitectónicos y
estructurales.
El proyecto general definitivo se logra después de que los diversos especialistas han
hecho las correcciones y ajustes indispensables en sus proyectos respectivos.
En esta forma de proceder, cada especialista encargado de una parte del
proyecto tiende a dar importancia sólo a los aspectos del proyecto que le atañen, sin
tener en cuenta si la solución que está proponiendo es inadmisible o inconveniente
para el cumplimiento de otras funciones. En particular el ingeniero mecánico no debe
olvidar que, “Las obra no se construyen para que resistan. Se construyen para alguna
otra finalidad o función que lleva, como consecuencia esencial, el que la construcción
mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo. Su resistencia es una
condición fundamental, pero no es la finalidad única, ni siquiera la finalidad
primaria.” Debe tener siempre presente que el proyecto no constituye un fin por sí
mismo, sino que representa sólo una parte del proceso que conduce a la construcción
de una obra terminada. Por tanto, lo importante es la calidad del resultado que se logre
y el proyecto será más satisfactorio en cuanto mejor contribuya a facilitar la
construcción de una obra adecuada. Por ello, deberá tener en mente que lo que se
proyecta se tendrá que construir y elegir las soluciones que mejor se ajusten a
los materiales y técnicas de construcciones disponibles.
La interacción con los contratistas responsables de la construcción es otro aspecto
importante. Es frecuente que éstos pidan y obtengan, una vez terminado el
proyecto, modificaciones importantes en las características arquitectónicas y
estructurales en función del empleo de un procedimiento constructivo que representa
claras ventajas de costos o de tiempos de ejecución, pero no se adapta al proyecto
que se ha elaborado. Esto da lugar a que se repitan partes importantes del proceso
de diseño o, más comúnmente, a que se realicen adaptaciones apresuradas por los
plazos de entrega ya muy cortos.
Un ejemplo frecuente de la situación anterior se da cuando el constructor propone
recurrir a un sistema de prefabricación mientras que en el proyecto original se previó
una solución a base de concreto colado en el lugar. Obviamente, esto implicaría
modificaciones sustanciales al proyecto estructural.
A pesar de sus evidentes inconvenientes, el proceso que en términos simplistas se
acaba de describir, es que se suele seguir, con resultados aceptables, en el
diseño de la mayoría de las construcciones. Sin embargo, en los últimos años,
11
dada la complejidad creciente de las obras, se ha iniciado una tendencia a
racionalizar el proceso de diseño recurriendo a los métodos de la ingeniería de
sistema. En esencia, se pretende aprovechar las herramientas del método científico
para hacer más eficiente el proceso de diseño. En particular, se pone énfasis en la
optimización de la obra en su totalidad. Una diferencia fundamental respecto al
enfoque tradicional del diseño es la consideración simultánea de la interacción de los
diversos subsistemas que integran una obra en una etapa temprana del proceso de
diseño, en lugar de la superposición sucesiva de proyectos.
La aplicación del la ingeniería de sistemas al diseño de obras ha conducido al diseño
por equipo. En este enfoque, bajo la dirección de un jefe o coordinador, un
grupo de especialistas colabora en la elaboración de un proyecto desde su
concepción inicial.
Aunque los aspectos sociales y ambientales pueden y deben ser considerados en
el diseño por los propios proyectistas o por especialistas en las materias, hay una
tendencia cada vez más acentuada a buscar la intervención en el proceso de diseño de
una Nave Industrial, de los usuarios y de representantes de los grupos sociales
afectados.
Aunque en los aspectos estructurales esto quizá no tenga gran importancia, en las
decisiones generales sobre las características de una obra la participación de los
usuarios industriales puede ser esencial. No pocos proyectos de Naves Industriales
han fracasado por haberse basado en lo que el proyectista consideraba adecuado,
pero no en lo que el futuro el industrial hubiere deseado. Situaciones semejantes
pueden presentarse en el proyecto de un hospital o de una escuela.
Cualquiera que sea la metodología seguida en el diseño de una obra, el ingeniero
mecánico debe saber encuadrar su actividad dentro del proceso general del
proyecto. Al igual que no debe imponer soluciones que resulten inconvenientes o
ineficientes para el funcionamiento general de la construcción, debe pugnar para
que no se le impongan esquemas o restricciones que conduzcan a un diseño
estructural poco racional o antieconómico.
Los principios y fundamentos del diseño estructural son comunes al proyecto de una
gran cantidad de artefactos. Una silla, un automóvil, un barco y un puente deben
soportar diversas condiciones de solicitación para cumplir adecuadamente sus
funciones. La mecánica y la resistencia de materiales son bases teóricas comunes
que rigen la seguridad de todos esos sistemas. Aquí nos referimos sólo a las
estructuras de las construcciones que entran en el ámbito de la ingeniería mecánica
éstas son muy variadas. Recordando que en la presente tesis está enfocado a las
12
Naves Industriales. En cada una de estas construcciones existen muy diversos
problemas que admiten una amplia gama de soluciones.
La enseñanza y la práctica del diseño estructural se han enfocado excesivamente al
proyecto de estructuras y construcciones. Sin embargo, el desarrollo tecnológico de
un país está sometido a la posibilidad de proyectar y realizar grandes
obras de infraestructura y de tipo industrial, las cuales deben proyectarse para
condiciones de operación.
1.2 PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
El diseño es un proceso creativo mediante el cual se definen las características de
un sistema de manera que cumpla en forma óptima con sus objetivos. El
objetivo de un sistema estructural es resistir las fuerzas a las que va a estar
sometido, sin colapso o mal comportamiento. Las soluciones estructurales están
sujetas a las restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos del
proyecto y a las limitaciones generales de costo y tiempo de ejecución.
Conviene resaltar el carácter creativo del proceso. La bondad del proyecto
depende esencialmente del acierto que se haya tenido en imaginar un sistema
estructural que resulte el más idóneo para absorber los efectos de las acciones
exteriores a las que va a estar sujeto. Los cálculos y comprobaciones posteriores
basados en la teoría del diseño estructural sirven para definir en detalle las
características de la estructura y para confirmar o rechazar la viabilidad del sistema
propuesto. Podrá lograrse que una estructura mal ideada cumpla con los requisitos de
estabilidad, pero seguramente se tratará de una solución antieconómica o anti
funcional. Esta parte creativa del proceso no está divorciada del conocimiento de
la teoría estructural. La posibilidad de intuir un sistema estructural eficiente e
imaginarlo en sus aspectos esenciales, es el fruto sólo en parte de cualidades innatas;
es resultado también de la asimilación de conocimientos teóricos y de la experiencia
adquirida en el ejercicio del proceso de diseño y en la observación del
comportamiento de las estructuras. Lo que comúnmente se denomina buen criterio
estructural no está basado sólo en la intuición y en la práctica, sino también debe estar
apoyado en sólidos conocimientos teóricos.
Desgraciadamente resulta muy difícil enseñar “criterio estructural” en libros de texto
y en las aulas de clase. Es mucho más fácil enseñar fundamentos teóricos, métodos
analíticos y requisitos específicos. Los autores de libros y los profesores sólo alcanzan
en el mejor de los casos a transmitir al alumno algunos destellos de su experiencia,
los cuales llegan a formar parte de su conocimiento asimilado. No debe sin
embargo desilusionarse el estudiante por sentir, al terminar sus estudios, una gran
inseguridad en la aplicación del acervo de conocimientos teóricos que ha adquirido.
13
El ejercicio de la práctica y el contacto prolongado con los especialistas más maduros
son requisitos necesarios para confirmar su criterio.
Cualquier intento de clasificación o subdivisión del proceso de diseño resulta
hasta cierto punto arbitrario. Sin embargo, es útil para entender su esencia,
considerar tres aspectos fundamentales: la estructuración; en análisis y el
dimensionamiento.
Estructuración. En esta parte del proceso se determinan los materiales de los que
va a estar constituida la estructura, la forma global de ésta, el arreglo de sus
elementos constitutivos y sus dimensiones y características más esenciales,
es está la parte fundamental del proceso. De la correcta elección del sistema o
esquema estructural depende más que de ningún otro aspecto la bondad de los
resultados. En esta etapa es donde desempeñaran un papel preponderante la
creatividad y el criterio.
Análisis. Se incluyen bajo esta denominación las actividades que llevan a la
determinación de la respuesta de la estructura ante las diferentes acciones
exteriores que puedan afectarla, es decir se trata de determinar los efectos de las
cargas que pueden afectar a la estructura durante su vida útil. Para esta determinación
se requiere lo siguiente:
a) Modelar la estructura, o sea idealizar la estructura real por medio de un
modelo teórico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo
disponibles. Un ejemplo es la idealización de un edificio de columnas, vigas y
losas de concreto por medio de un sistema de marcos planos formados por
barras de propiedades equivalentes. En esta idealización se comenten con
frecuencia errores graves, tales como ignorar elementos que contribuyen a la
respuesta de la estructura o emplear un modelo demasiado simplista que no
representa adecuadamente la respuesta estructural. La modelación incluye la
definición de diversas propiedades de los elementos que componen al
modelo. Esto implica la recolección de diversos datos y la suposición de
otras características, como son las propiedades elásticas de los
materiales, incluyendo el suelo de cimentación, y las propiedades
geométricas de las distintas secciones. Los valores puestos en etapas iníciales
del proceso para estas propiedades, pueden tener que modificarse e irse
refinando a medida que se obtienen los resultados de análisis.
14
b) Determinar las acciones de diseño. En muchas situaciones las cargas y los
otros agentes que introducen esfuerzos en la estructura están definidos por
los códigos y es obligación del ingeniero mecánico sujetarse a ellos. Es
frecuente sin embargo, que quede como responsabilidad del proyectista la
determinación del valor de diseño de alguna carga, o al menos la obtención de
datos ambientales locales que definen la acción de diseño, la forma de obtener
un modelo de ésta, generalmente a través de un sistema de fuerzas estáticas
de efecto equivalente y la forma de combinar estás fuerzas con las
correspondientes a otras acciones. Cabe hacer notar que en esta etapa se
suelen tener grandes incertidumbres y se llegan a cometer errores graves que
dan el traste con la precisión que se pretende guardar en las etapas
subsecuentes. Basta como ejemplo reflexionar sobre el grado de
aproximación con que se puede determinar la acción máxima debida a sismo
que puede presentarse sobre una nave Indust r ia l o el efecto de la ola
máxima que pueda actuar sobre una escollera, durante la vida útil de estas
estructuras.
c) Determinar los efectos de las acciones de diseño en el modelo de la
estructura elegida. En esta etapa, que constituye el análisis propiamente
dicho, se determinan las fuerzas internas (momentos flexionantes y de torsión,
fuerzas axiales y cortantes), así como las flechas y deformaciones de la
estructura. Los métodos de análisis suponen en general un comportamiento
elástico lineal. Los métodos de análisis han evolucionado en las últimas
décadas mucho más que otros aspectos de diseño; el desarrollo de los
métodos numéricos asociado al empleo de las computadoras ha hecho posible
analizar con precisión modelos estructurales cada vez más complejos. Aunque
no se pretende menospreciar las ventajas de realizar análisis refinados de un
modelo estructural que represente en forma realista y detallada de una
estructura, cabe llamar la atención sobre la tendencia que se aprecia cada vez
más notoria en muchos ingenieros, de buscar en esta etapa un grado de
precisión incongruente con la poca atención que prestan a la
determinación del modelo de la estructura y del sistema de cargas.
Dimensionamiento. En esta etapa se define en detalle la estructura y se revisa
si cumple con los requisitos de seguridad adoptados. Además, se elaboran los
planos y especificaciones de construcción de la estructura. Nuevamente, estas
actividades están con frecuencia muy ligadas a la aplicación de uno o más códigos
que rigen el diseño de la estructura en cuestión. Los códigos y procedimientos son
15
peculiares del material y sistema de construcción elegido, lo que constituye un aspecto
general son los criterios de seguridad de la estructura y la estructura de los
procedimientos de diseño.
El haber distinguido en el proceso de diseño tres partes que indican una secuencia
lógica, nos lleva a pensar que en el diseño se sigue un proceso unidireccional en
el que primero se imagina una estructura, luego se analiza y finalmente se
dimensiona. El proceso real es mucho más complejo e interactivo; implica pasar
varias veces por cada etapa a medida que la estructura evoluciona hacia su forma
final.
El análisis de la secuencia temporal con que se realiza el diseño de una estructura
permite distinguir las fases siguientes:
1) Planteamiento de soluciones preliminares. Se requiere primero una
definición clara de las funciones que debe cumplir la estructura y de las
restricciones que impone el entorno físico y de las que fijan otros aspectos
del proyecto. Es necesario tener datos al menos preliminares sobre
condiciones ambientales y requisitos del proyecto. En esta fase es
particularmente necesaria la interacción entre el estructurista y los
especialistas de los demás subsistemas de la obra para definir las
necesidades básicas de cada uno de ellos y para analizar las soluciones
generales que se vaya proponiendo. De una evaluación esencialmente
cualitativa surge un número limitado de soluciones que tienen perspectivas de
resultar convenientes. Esta evaluación se basa con frecuencia en
comparaciones con casos semejantes y en algunos cálculos muy simplistas.
Es en esta fase donde juega un papel preponderante el criterio del proyectista
estructural:
2) Evaluación de soluciones preliminares. Se realizan las actividades que, según
se ha mencionado anteriormente, constituyen las etapas del proceso de diseño
estructural, pero a un nivel tosco que se denomina comúnmente “pre diseño”,
en el cual se pretende definir las características esenciales de la estructura
en diversas alternativas, con el fin de identificar posibles problemas en su
adopción y, principalmente, de poder cuantificar sus partes y llegar a una
estimación de los costos de las diversas soluciones. La elección de la opción
más conveniente no se basará solamente en una comparación de los costos
de la estructura en cada caso; hay que considerar también la eficacia con la
16
que está se adapta a los otros aspectos del proyecto, la facilidad de obtención
de los materiales necesarios, la rapidez y grado de dificultad de las técnicas
de construcción involucradas, los problemas relacionados con el
mantenimiento, el aspecto estético de la solución y, en obras de gran
importancia, también diversos factores de tipo socioeconómico, como la
disponibilidad de recursos nacionales y la contribución a la generación de
empleos.
3) Diseño detallado. Una vez seleccionado la opción más conveniente, se procede
a definirla hasta su detalle, realizando de manera refinada todas la etapas del
proceso; aún aquí es necesario con frecuencia recorrer más de una vez las
diversas etapas, ya que alguna de las características que se habían supuesto
inicialmente pueden tener que modificarse por los resultados del
dimensionamiento y hacer que se repita total o parcialmente en análisis.
4) Transferencia de los resultados de diseño. No basta haber realizado un
diseño satisfactorio; es necesario que sus resultados sean transmitidos a
sus usuarios, los constructores, en forma clara y completa. La elaboración de
planos que incluyan no sólo las características fundamentales de la estructura,
sino la solución de los menores detalles, la especificación de los materiales y
procedimientos y la elaboración de una memoria de cálculos que facilite la
implantación de cualquier cambio que resulte necesario por la ocurrencia de
condiciones no previstas en el diseño, son partes esenciales del proyecto.
5) Supervisión. Puede parecer injustificado considerar la supervisión de la obra
como una fase del proceso del diseño. Su inclusión aquí tiene como objetivo
destacar la importancia de que las personas responsables del proyecto
estructural comprueben que se esté interpretando correctamente su diseño y,
sobre todo, que puedan resolver los cambios y adaptaciones que se presentan
en mayor o menor grado en todas las obras, de manera que éstos no alteren
la seguridad de la estructura y sean congruentes con los criterios de
cálculos adoptados.
La importancia que tenga cada una de las fases identificadas depende de las
características particulares de casa obra. Cuando se trata de una estructura ya
familiar, es posible identificar por experiencia la solución más conveniente y proceder
a su diseño con un mínimo de interacciones. En obras novedosas y grandes, es
fundamental dedicar gran atención a las dos primeras fases.
17
1.3 HERRAMIENTAS DE DISEÑO
Los procedimientos para el diseño estructural han mostrado una tendencia muy
acelerada hacia el refinamiento de las técnicas numéricas empleadas. Vale la
pena reflexionar sobre esta tendencia, para ejercer un juicio crítico acerca de los
procedimientos que conviene emplear para un problema dado.
Haciendo un poco de historia, la aplicación de métodos cuantitativos al diseño es
relativamente reciente. En efecto sólo desde hace poco más de un siglo, se han
diseñado estructuras revisando en forma más o menos completa los esfuerzos en sus
miembros. Las primeras aplicaciones fueron a puentes de grandes claros. Los
conceptos de teoría de la elasticidad y de resistencia de materiales estaban ya muy
desarrollados para esas fechas. Sin embargo, su aplicación al proyecto de estructuras
era prácticamente desconocida; en el menor de los casos se limitaba la revisión de
algún problema muy particular dentro del funcionamiento global de la estructura.
Como ejemplo, la teoría que se usa actualmente para el dimensionamiento de
columnas, incluyendo los efectos de pandeo, se basa con pocas adaptaciones, en la
solución teórica desarrollada por Leonard Euler hacia mediados del siglo XVIII. Sin
embargo, Euler nunca pensó en usar esa teoría para el diseño de columnas
reales; su solución representó para él sólo un ejercicio académico, un ejemplo de la
aplicación de máximos y mínimos, no fue sino hasta un siglo después cuando se le
dio la teoría de Euler aplicación en el diseño estructural.
Anteriormente las estructuras se proyectaban con bases exclusivamente empíricas, a
partir de la extrapolación de las construcciones anteriores y de la intuición basada
en la observación de la naturaleza. Hay que reconocer que la naturaleza ha sido
artífice de gran número de “estructuras” muy eficientes y que llegan a un grado
extremo de refinamiento en cuanto a su funcionamiento estructural. Baste como
ejemplo pensar un poco en el grado en que la forma y propiedades de los materiales
de un árbol o del esqueleto de los diversos animales están adaptados a las
solicitaciones que deben soportar, para apreciar este hecho.
La naturaleza ha logrado tales resultados a partir del proceso que, en ingeniería, se
llama de aproximaciones sucesivas, o de prueba y error y que, en su contexto, se
conoce como evolución natural. Los cambios que mejoran la eficiencia de un sistema
natural tienden a permanecer, mientras que los contrarios a la eficiencia llevan a la
falla y a la desaparición del sistema así modificado. Lo anterior implica que
para llegar a los sistemas asombrosamente refinados que ahora admiramos se
requirieron miles de años y millones de fallas. A otra escala, algo ha parecido ha
18
sucedido con las antiguas obras del hombre: llegar a algunas de las formas que
admiramos por su atrevimiento estructural implicó muchos intentos fallidos que
fueron definiendo los límites dentro de los que se podían resolver en forma segura
algunos tipos de estructuras con determinados materiales.
Los primeros intentos de sistematización del proceso de diseño fueron el
establecimiento de reglas geométricas que debían observarse para materiales y
elementos constructivos dados, con el objetivo de asegurar su estabilidad. Muchas
de esas reglas fueron recopiladas por Vitrubio en el siglo I. Fueron de uso común
hasta el renacimiento, cuando la popularización del método experimental condujo a
procesos más refinados. Aún se aprendía empíricamente, pero se pretendía
sistematizar el proceso; esto incluía la realización de experimentos de manera
controlada para deducir de ellos de reglas de validez general. Ciertas soluciones para
favorece la estabilidad de las estructuras evidencian un claro conocimiento de la
estática y de la resistencia de materiales, sin embargo la incorporación de
bases teóricas sólidas y generales a los procedimientos de diseño ha sido muy lenta y
puede considerarse al diseño estructural como un producto de este siglo.
Con frecuencia se ha externado la opinión de que no se justifica el empleo de los
refinados métodos de diseño a los que se suele recurrir en la actualidad, dado que sin
ellos se pudieron realizar estructuras extraordinariamente eficientes y que han
durado siglos, bastando para ello únicamente la intuición, el buen sentido estructural y
la experiencia del comportamiento de estructuras previas. De lo expuesto
anteriormente debe parecer evidente que el procedimiento empírico tiene la grave
limitación de que es confiable sólo si se trata de estructuras esencialmente similares
a otras ya existentes y comprobadas y que resulta muy peligroso extrapolar la
experiencia a condiciones diferentes a las previas. El empleo del procedimiento de
prueba y error es una forma muy costosa de ir afinando el diseño de estructuras
reales. La intuición y el buen sentido estructural son bases esenciales de un buen
diseño, pero sólo la justificación teórica de lo que se ha imaginado por ese medio,
puede dar lugar a una estructura confiable. La experimentación en estructuras debe
dejarse para el laboratorio o para el estudio de prototipos y no hacerse en las
construcciones.
Actualmente el ingeniero mecánico cuenta para apoyar su intuición esencialmente
con tres tipos de ayuda: los métodos analíticos, las normas y manuales,
y la experimentación. Deben considerarse estás como herramientas que ayuden y
facilitan el proceso mental a través del cual se desarrolla el diseño y no como la
esencia del diseño mismo que puede sustituir el proceso creativo, el razonamiento
lógico y el examen crítico del problema.
19
Los métodos analíticos han tenido un desarrollo extraordinario en las últimas
décadas. Se cuenta con procedimientos de cálculo de solicitaciones en modelos
sumamente refinados de estructuras muy complejas, los cuales deben de tomar en
cuenta efectos como la no linealidad del comportamiento de los materiales, la
interacción de la estructura con el suelo y el comportamiento dinámico. No hay que
olvidar, sin embargo, que lo que analizan estos métodos son “modelos” o sea
idealizaciones matemáticas tanto de la estructura misma, como de las acciones a
las que está sujeta y de los materiales de los que está compuesta. Aunque por
regla general siempre debe tenderse al empleo de los métodos de análisis que
mejor representen el fenómeno que se quiere estudiar, conviene llamar la
atención acerca del peligro que representa que un proyectista poco familiarizado
con un procedimiento de análisis muy refinado, pierda el sentido físico del
problema que está resolviendo, que no sepa determinar de manera adecuada los
datos que alimenten el modelo y que no tenga sensibilidad para juzgar sobre si los
resultados que está obteniendo son o no realistas.
En los que concierne al segundo tipo de herramientas, la experiencia acumulada a
través de la solución analítica de un gran número de problemas, de la
observación del comportamiento de las estructuras reales y de la experimentación e
investigación realizadas en ese campo, está vaciada en una gran variedad
de códigos, recomendaciones, especificaciones y manuales que constituyen un
apoyo insustituible para el proyectista. Desde la definición de las cargas de diseño y
de los otros datos básicos de diseño, hasta la elección de los métodos de análisis
más adecuados y su solución sistematizada para un número de casos particulares
y hasta la determinación de las características de los elementos estructurales
necesarios para cumplir con determinadas condiciones de carga y la definición de
muy diversos detalles de la estructura, se pueden encontrar en esos
documentos, lo que simplifica extraordinariamente la labor de diseño. Debe sin
embargo prevenirse contra el empleo indiscriminado de esas herramientas; el
proyectista debe ejercer su juicio para determinar si su caso particular cumple
con las hipótesis y limitaciones con que se elaboraron las tablas, gráficas o
especificaciones generales.
La práctica del diseño estructural tiende en una forma natural hacia una creciente
automatización, impulsada aceleradamente por la popularización del empleo
de las computadoras. Es común el empleo de programas de cómputo en el análisis
estructural y su uso está difundiendo también en la etapa de dimensionamiento, hasta
llegar a la elaboración misma de los planos estructurales y de las especificaciones.
Este proceso es sin duda benéfico y va a reanudar en una mayor eficacia y
precisión en el diseño, en cuanto se emplee con cordura. Buena parte del tiempo
de un proyectista en una oficina de diseño estructural se dedica a la realización de
20
cálculos rutinarios y a la preparación de detalles más o menos estandarizados. Al
recurrir a procedimientos automatizados de cálculos, se libera al proyectista de
esas tareas rutinarias y se le permite dedicar su atención a los problemas
fundamentales de la concepción de la estructura y de la solución de sus aspectos
básicos, así como la revisión de resultados. Es motivo, sin embargo, de gran
preocupación observar lo que sucede en diversas oficinas de proyectos, donde la
implantación de sistemas automatizados de análisis y dimensionamiento ha dado
lugar a la aparición de una nueva clase de empleo subprofesional para el ingeniero,
el del “codificador”, quien tiene que preparar datos de las cargas y las propiedades
de la estructura de acuerdo con ciertas reglas preestablecidas e introducirlas en un
sistema de computo. Como resultado del proceso recibe alguno cientos de hojas
de computadora entre cuyos cientos de miles de números debe elegir unos cuantos
que le sirven para revisar si cumplen con lo que un “instructivo de salida” le indica. En
otros casos recibe ya las características finales de la estructura en sus aspectos
generales o hasta su mayor detalle. No se busca en esos casos eliminar labores
rutinarias al ingeniero, sino eliminar al ingeniero, realizar el proyecto sin necesidad de
un director pasante; el autómata no es en ese caso sólo la computadora sino
también su usuario. Los más grandes errores se comenten cuando el responsable del
proyecto pierde el control sobre el significado de los números que están generando a
todo lo largo del proceso.
Tanto en lo que se refiere al empleo de manuales y ayudas de diseño, como al de los
programas de cómputo, el ingeniero mecánico debería tener grabados en su mente
los siguientes mandamientos:
Nunca uses una de esas herramientas si no sabes en que teoría se basa,
qué hipótesis tiene implícitas y qué limitaciones existen para su uso.
Después de asegurarte que es aplicable a tu caso particular, cuida que
puedas obtener los datos que se requieran para su empleo y pon atención en
emplear las unidades correctas.
Una vez obtenidos los resultados, examínalos críticamente, ve si hace sentido; si
es posible compruébalos con otro procedi0miento aproximado, hasta que
estés convencido de que no hay errores gruesos, en el proceso.
Analiza qué aspectos no han sido tomados en cuenta en ese proceso y
asegúrate que no alteren el diseño. Por ejemplo, ninguna de esas herramientas
suele tomar en cuenta concentraciones de esfuerzos en los puntos de aplicación
de las cargas o en irregularidades locales; si se dan estas condiciones en
tu estructura, revídelas por separado.
21
Una valiosa ayuda para el proceso de diseño puede obtenerse a través de la
experimentación; se trata de estudiar los fenómenos, ahora no a través de
modelos analíticos de la estructura, sino a través de modelos físicos de la misma. Esto
puede llevarse a muy diversos niveles. En ocasiones resulta muy útil para entender
un aspecto parcial de cómo responde una estructura ante determinado tipo de
carga, hacer un modelo muy simplista de ella, a base de palitos de madera de
balsa o de las piezas de un mecano por ejemplo, y aplicarle empujes con las
manos. No se trata de obtener determinaciones cuantitativas de la respuesta, sino
de lograr una representación física de la manera en que se deforma la estructura.
Esto resulta para algunas mentes menos dadas al razonamiento abstracto más
convincente y confiable que los resultados de un modelo similar resuelto
analíticamente.
Una forma mucho más refinada de proceder es a través del ensaye de un modelo a
escala de la estructura, o de parte de ella. En este caso las dimensiones, las
propiedades de los materiales y las cargas en el modelo se determinan siguiendo
los requisitos estrictos fijados por relaciones deducidas de una teoría llamada
análisis dimensional. De esta manera, la respuesta del modelo ante determinado
sistema de carga, medida en términos de desplazamientos o deformaciones, se puede
relacionar con la de la estructura real y sacar de ello conclusiones acerca de la bondad
del diseño. Nuevamente, este método tiene la ventaja de permitir una observación
objetiva y física del fenómeno. Sin embargo, la necesidad de emplear reducciones
muy grandes en la escala del modelo con respecto a la estructura real lleva, por los
requisitos del análisis dimensional, al empleo de materiales que tienen
propiedades mecánicas radicalmente distintas en el modelo con respecto a las del
prototipo, por lo cual difícilmente puede representarse el comportamiento de la
estructura más allá de un intervalo inicial lineal. Esto, junto con la dificultad de
reproducir fielmente la estructura es sus mínimos detalles que puedan influir
significativamente en la respuesta estructural, hace que difícilmente pueda obtenerse
en modelos físicos resultados más confiables de los que se obtienen por medio de
modelos analíticos.
Actualmente están disponibles sistemas de cómputo que permiten generar una gran
variedad de modelos estructurales y analizar su respuesta ante una gran
variedad de condiciones de carga. Estos sistemas permiten visualizar en forma
gráfica los modelos y generar de manera automática muchas de las propiedades
geométricas y mecánicas requeridas para el análisis. También cuentan con post-
procesadoras de resultados que generan representaciones gráficas de las
configuraciones de deformaciones y de esfuerzos, o aun de las formas de vibrar las
estructuras sujetas a efectos dinámicos. La mayoría de estos sistemas de cómputo
están basados en la técnica de elementos finitos. La complejidad de los problemas y el
22
número de ecuaciones simultáneas que estos sistemas pueden resolver son
asombrosos. Un ejemplo lo constituye el modelo de la catedral de la ciudad de México
que cuenta con 9000 elementos finitos y cuyo análisis requiere la solución de
3000 ecuaciones simultáneas. La posibilidad de obtener la distribución de esfuerzos a
la largo de la estructura para los efectos del peso propio, ha hecho caer en desuso
los estudios sobre modelos físicos para análisis de esfuerzos, como los modelos
foto elásticos muy en voga hace algunas décadas.
Casos en que los modelos físicos a escala pequeña tienen todavía vigencia son, por
ejemplo, la determinación de los efectos de viento en una estructura de forma
geométrica compleja, algunos análisis de efectos dinámicos, y en general en todos
aquellos en que no se cuente todavía con una modelación teórica confiable del
fenómeno.
Otro tipo de estudios experimentales son los que se realizan en prototipos de
estructuras o de parte de ellas. En estos casos se puede reproducir la estructura
con los materiales reales, con los mismos procedimientos constructivos y con todos
sus detalles, por tanto se comparativa se presenta de manera mucho más compleja y
confiable de lo que pueda hacerse en un modelo analítico. Los especímenes resultan
sin embargo muy costosos y se justifican sólo para estructuras repetitivas de gran
importancia.
Una modalidad de este tipo de estudios son las pruebas de carga en que la
estructura misma se somete a cargas que reproducen las que deben soportar su
operación normal o ante condiciones extraordinarias. Esto constituye una
comprobación directa de la seguridad de la estructura. Estas pruebas tienen el
inconveniente de ser costosas, de que resulta difícil de reproducir de manera realista el
efecto de las muy diversas acciones que pueda afectar la estructura y de que se pone
en peligro de falla la estructura misma. Los reglamentos exigen en general que
algunos tipos de estructuras de capital importancia se sometan a
comprobaciones físicas de su capacidad a través de pruebas de cargas realizadas en
forma estándar.
1.4 ESTADO LIMITE
Toda Nave Industrial debe contar con un sistema estructural que permita el
flujo adecuado de las fuerzas que generan las distintas cargas, para que dichas fuerzas
puedan ser transmitidas de manera continua y eficiente hasta la cimentación. Debe
contar además con una cimentación que garantice la correcta transmisión de dichas
fuerzas al subsuelo.
23
Toda estructura y cada una de sus partes deben diseñarse para cumplir con
los requisitos básicos siguientes:
I. Tener seguridad adecuada contra la aparición de estados limite de falla
posible ante la combinación de cargas más desfavorables que puedan
presentarse durante su vida esperada.
II. No rebasar ningún estado límite de servicio ante combinaciones de cargas que
no corresponden a condiciones normales de operación.
Estado límite de falla. Se considera estado limite de falla cualquier situación que
corresponda al agotamiento de la capacidad de carga de la estructura o de cualquiera
de sus componentes, incluyendo la cimentación, o al hecho de que ocurran daños
irreversibles que afecten significativamente su resistencia ante nuevas aplicaciones de
carga.
Es importante tener conciencia que las estructuras se van agotando, por ejemplo
cada sismo que resiste una estructura le resta 10% de su capacidad de carga, por otro
lado el concreto tiene una duración de entre 50 y 80 años, a partir de entonces su
capacidad de resistencia se reduce.
24
Estado límite de servicio. Se considerara como estado limite de servicio
la ocurrencia de desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños que afecten el
correcto funcionamiento de la edificación, pero que no perjudiquen su capacidad
para soportar cargas.
1.5 ACCIONES DE DISEÑO
Por acciones se entiende lo que generalmente se denominan cargas. Pero
esta designación más general incluye a todos los agentes externos que inducen en la
estructura fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones. Por tanto, además de las
cargas propiamente dichas, se incluye las deformaciones impuestas, como los
25
hundimientos de la cimentación y los cambios volumétricos, así como los efectos
ambientales de viento, temperatura, corrosión, etcétera.
En el diseño de toda estructura deben tomarse en cuenta los efectos de las
cargas muertas, de las cargas vivas, del sismo y del viento, cuando este último sea
significativo.
Cuando sean relevantes, deben tomarse en cuenta los efectos producidos por otras
acciones, como los empujes de tierras y líquidos, los cambios de
temperatura, las contracciones de los materiales, los hundimientos de los apoyos y las
demandas originadas por el funcionamiento de maquinaria y equipo que no estén
tomadas en cuenta en las cargas.
Se considerarán tres categorías de acciones, de acuerdo con la duración en
que obren sobre las estructuras con su intensidad máxima.
Estas son:
a) Las acciones permanentes. Son las que obran en forma continua sobre la
estructura y cuya intensidad varía poco con el tiempo. Las principales acciones que
pertenecen a esta categoría son: la carga muerta; el empuje estático de suelos y
de líquidos y las deformaciones y desplazamientos impuestos a la estructura que
varían poco con el tiempo, como los debidos a preesfuerzo o a movimientos
diferenciales permanentes de los apoyos.
b) Las acciones variables. Son las que obran sobre la estructura con una
intensidad que varía significativamente con el tiempo. Las principales acciones que
entran en esta categoría son: la carga viva; los efectos de temperatura; las
deformaciones impuestas y los hundimientos diferenciales que tengan una
intensidad variable con el tiempo, y las acciones debidas al funcionamiento de
maquinaria y equipo, incluyendo loso efectos dinámicos que pueden presentarse
debido a vibraciones, impacto o frenado; y
c) Las acciones accidentales. Son las que no se deben al funcionamiento normal
de la edificación y que pueden alcanzar intensidades significativas sólo durante lapsos
breves. Pertenecen a esta categoría: las acciones sísmicas; los efectos del viento; las
26
cargas de granizo; los efectos de explosiones, los incendios y otros fenómenos que
puedan presentarse en casos extraordinarios. Será necesario tomar precauciones
en las estructuras, en su cimentación y en los detalles constructivos, para evitar
un comportamiento catastrófico de la estructura para el caso de que ocurran estas
acciones.
En la seguridad de una estructura debe verificarse para el efecto combinado de todas
las acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrir
simultáneamente, considerándose dos categorías de combinaciones.
Las fuerzas internas y las deformaciones producidas por las acciones se
determinarán mediante un análisis estructural realizado por un método reconocido que
tome en cuenta las propiedades de los materiales ante los tipos de carga
que se estén considerando.
1.6 RESISTENCIA DE DISEÑO
Se entenderá por resistencia a la magnitud de una acción, o de una combinación de
acciones, que provocaría la aparición de un estado límite de falla de la
estructura o cualesquiera de sus componentes.
La resistencia de diseño se determinará por procedimientos analíticos basados en
evidencia teórica y experimental, o con procedimientos experimentales.
La determinación de la resistencia de diseño por procedimientos experimentales
podrá llevarse a cabo por medio de ensayes diseñados para simular, en modelos
físicos de la estructura o de porciones de ella.
Cuando se trate de estructuras o elementos estructurales que produzcan en forma
industrializada, los ensayes se harán sobre muestras de la producción o de
prototipos. En otros casos los ensayes podrán efectuarse sobre modelos de la
estructura en cuestión.
La selección de las partes de la estructura que se ensayen y del sistema de carga que
se aplique deberá hacerse de manera que se obtengan las condiciones más
desfavorables que puedan presentarse en la práctica, pero tomando en cuenta la
interacción con otros elementos estructurales.
27
Con base en los resultados de los ensayes, se deducirá una resistencia de diseño,
tomando en cuenta las posibles diferencias entre las propiedades mecánicas y
geométricas medidas en los especímenes ensayados y las que puedan esperarse en
las estructuras reales.
Se revisará que las distintas combinaciones de acciones y para cualquier estado
límite de falla posible, la resistencia de diseño sea mayor o igual al efecto de las
acciones que intervengan en la combinación de cargas en estudio, multiplicado por
los factores de carga correspondientes.
También se revisará que bajo el efecto de las posibles combinaciones de acciones
sin multiplicar por factores de carga, no rebase algún estado límite de servicio.
28
UNIDAD II
DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO
2.1 VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL
Alta resistencia. La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será
relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en
puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones
deficientes en la cimentación.
Uniformidad. Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo
como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.
Elasticidad. El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño
que la mayoría de los materiales, gracias a que sigue la ley de Hooke hasta
esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero
pueden calcularse exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una
estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.
Durabilidad. Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran
indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indica que bajo
ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a base de pintura.
Ductilidad. La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes
deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Cuando se prueba a
tensión un acero con bajo contenido de carbono, ocurre una reducción
considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto de
falla, antes de que se presente una fractura. Un material que no tenga esta
propiedad probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe
repentino.
En miembros estructurales sometidos a cargas normales se
desarrollan altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza
dúctil de los aceros estructurales comunes les permiten fluir localmente es esos
29
puntos, evitándose así fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras
dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible
de la inminencia de la falla.
Tenacidad. Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia
y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes
deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Esta es una característica
muy importante porque indica que los miembros de acero pueden someterse a
grandes deformaciones durante su formación y montaje, sin fracturarse, siendo
posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad
de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.
Ampliaciones de las estructuras existentes. Las estructuras de acero se
adaptan muy bien a posibles adiciones. Se puede añadir nuevas crujías e incluso
alas enteras a estructuras de acero ya existentes y los puentes de acero con
frecuencia pueden ampliarse.
Propiedades diversas. Otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran
facilidad para unir diversos miembros de varios tipos de conexión como son la
soldadura, los tornillos y los remaches; b) posibilidad de prefabricar los miembros;
c)rapidez de montaje; d) gran capacidad para laminarse en una gran cantidad de
tamaños y formas; e) resistencia a la fatiga; f) rehúso posible después de desmontar
una estructura y g) posibilidad de venderlo como "chatarra" aunque no pueda utilizarse
en su forma existente. El acero es el material reutilizable por excelencia.
2.2 DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Costo de mantenimiento. La mayor parte de los aceros son susceptibles a la
corrosión al estar expuesto al aire y al agua y, por consiguiente, deben
pintarse periódicamente. El uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones,
tiende a eliminar este costo.
Costo de la protección contra el fuego. Aunque algunos miembros estructurales
son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los
incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido
muchos incendios en inmuebles vacíos en los que el único material combustible era el
30
mismo inmueble. El acero es un excelente conductor de calor, de manera que los
miembros de acero sin protección pueden transmitir suficiente calor de una sección
o comportamiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo
edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero
de una construcción debe protegerse mediante materiales con ciertas
características aislantes o el edificio deberá acondicionarse con un sistema de
rociadores para que cumplan con los requisitos de seguridad del código de
construcción de la localidad en que se halle.
Susceptibilidad al pandeo. Cuando más largos y esbeltos sean los miembros
a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. Como se indico previamente,
el acero tiene una lata resistencia por unidad de peso, pero al usarse como columnas
no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer más
rígidas las columnas contra el posible pandeo.
Fatiga. Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia puede
reducirse si se somete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o
bien, a un gran número de cambios de la magnitud del esfuerzo de tensión. (Se
tienen problemas de fatiga solo cuando se presentan tensiones) En la práctica
actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de
antemano que estará sometido a un número mayor de ciclos de esfuerzo variable, que
cierto número limite.
Fractura frágil. Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la
falla frágil puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que
producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación.
2.3 PERFILES DE ACERO.
El Instituto Mexicano de la construcción en Acero, A.C (IMCA), pública un manual por
medio del diseño de esfuerzos permisibles, que es tomado como base del AMERICAN
INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, INC. (AISC), en el cual contiene la siguiente
información.
Disponibilidad de aceros estructurales en perfiles, placas y barras, Principales
productores nacionales de acero estructural, Disponibilidad de tipos de tubos de
acero, Tablas de dimensiones y propiedades de los perfiles como son: ángulo de
31
lados iguales (LI), ángulo de lados desiguales (LD) perfil C estándar (CE), Perfil I
estándar (IE), Perfil rectangular (IR), Perfil T rectangular (TR), Perfil I soldado (IS),
Redondo sólido liso (OS), Tubo circular (OC), Tubo cuadrado o rectangular (OR),
Perfil C formado en frío (CF), Perfil Z formado en frío (ZF), Varilla corrugado para
refuerzo de concreto y Láminas antiderrapantes realzadas.
Por último el manual se conforma por la Parte 1 Diseño elástico, Parte 2 Diseño plástico, Código de prácticas generales y Apéndices y comentarios.
Las dimensiones de los perfiles se dan en decimales (para uso de los proyectistas) y
en fracciones al dieciseisavo de pulgada más próximo (para uso de los
dibujantes o detallistas). Se proporciona también, para el uso de los diseñadores,
los momentos de inercia, los módulos de sección, los radios de giro y otras
propiedades de la sección transversal.
Se suelen presentar variaciones en cualquier proceso de manufactura, y la industria
del acero no es una excepción. En consecuencia, las dimensiones de las
secciones transversales de los perfiles de acero pueden variar un poco, respecto a los
indicados en el manual. Las tolerancias máximas para los perfiles laminados las
establece la especificación A6 de la American Society For Testing an Materials (ASTM)
y se citan en la primera parte del manual, independientemente del fabricante.
A través de los años han existido cambios en las dimensiones de los perfiles de acero. Por ejemplo, puede haber poca demanda que justifique seguir laminando un cierto perfil de tamaño similar, pero más eficiente en su forma. Ocasionalmente el proyectista puede necesitar las propiedades de un perfil descontinuado que no aparece ya en las listas de los manuales. Por ejemplo, puede requerirse añadir un piso extra a un edificio existente que fue construido con perfiles que ya no se fabrican, por ello es aconsejable que los proyectistas conserven las ediciones viejas del manual para consultarlas cuando se presenten tales situaciones.
2.4 RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO ESTRUCTURAL
Para entender el comportamiento de las estructuras metálicas es
absolutamente indispensable que el ingeniero mecánico conozca las propiedades
del acero. Los diagramas esfuerzo-deformación ofrecen parte de la información
necesaria para entender cómo se comporta ese material en una situación
particular. No se pueden desarrollar métodos satisfactorios de diseño a menos que
se dispongan de información completamente relativa a las relaciones esfuerzo-
deformación del material que se usa.
32
Si una pieza de acero estructural dúctil se somete a una fuerza de tensión,
está comenzará a alargarse. Si se incrementa la fuerza a razón constante, la
magnitud de alargamiento aumentará constantemente dentro de ciertos límites. En
otras palabras el alargamiento se duplicará cuando el esfuerzo pase de 422 a
844 Kg/cm². Cuando el esfuerzo de tensión alcance un valor aproximadamente
igual a un medio de la resistencia última del acero, el alargamiento comenzará a
aumentar más y más rápidamente sin un incremento correspondiente del esfuerzo.
El mayor esfuerzo para el que todavía es válida la ley de Hooke o el punto más alto
de la porción recta del diagrama esfuerzo-deformación se denomina límite
proporcional. El mayor esfuerzo que un material puede resistir sin deformarse
permanentemente se llama limite elástico. Este valor rara vez se mide y para la
mayoría de los materiales estructurales, incluido el acero, es sinónimo de límite
proporcional. Por esta razón se usa a veces el término límite proporcional elástico.
El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o
deformación sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de
fluencia; corresponde al primer punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual
la tangente a la curva es horizontal. El esfuerzo de fluencia es para el proyectista
la propiedad más importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseño se
basan en este valor. Más allá del esfuerzo de fluencia hay un intervalo en el que
ocurre un incremento considerable de la deformación sin incremento del esfuerzo. La
deformación que se presenta antes del esfuerzo de fluencia se denomina deformación
elástica. La deformación que ocurre después del esfuerzo de fluencia, sin incremento
de esfuerzo, se denomina deformación plástica. Esta última deformación es
generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la deformación elástica.
La fluencia del acero puede presentar una fuerte desventaja, pero en realidad es una
característica muy útil; con frecuencia han prevenido la falla de una estructura
debida a omisiones de errores del proyectista. Si el esfuerzo en un punto de una
estructura de acero dúctil alcanza el esfuerzo de fluencia, esa parte de la
estructura cederá localmente sin incremento en el esfuerzo, impidiendo así una falla
prematura. Esta ductilidad permite que se reajusten los esfuerzos en una
estructura de acero. Otra manera de describir este fenómeno es afirmar que los
altos esfuerzos causados por la fabricación, el montaje o la carga tienden a
igualarse entre sí. También puede decirse que una estructura de acero tiene una
reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas y golpes
repentinos.
Si no tuviese esta capacidad se podría fracturar como el vidrio u otros materiales
análogos.
33
Después de la zona plástica se tiene una zona llamada endurecimiento
por deformación en la que se requieren esfuerzos adicionales para producir
deformaciones mayores. Esta porción del diagrama esfuerzo-deformación no resulta
muy importante para los proyectistas actuales por que las deformaciones son muy
grandes. En la figura siguiente se muestra un diagrama típico de un acero estructural
de bajo contenido de carbono. Sólo se presenta aquí la parte inicial de la curva, debido
a la gran deformación que ocurre antes de la falla.
La curva esfuerzo-deformación es típica de los aceros estructurales dúctiles y se
supone que es la misma para miembros a tensión o a compresión. La forma del
diagrama varía con la velocidad de carga, el tipo de acero y con la temperatura.
En la figura se muestra mucha variación, la línea interrumpida marcada fluencia
superior ocurre cuando un acero dulce se carga rápidamente, en tanto que la curva
con la fluencia inferior se obtiene de una carga lenta.
Una propiedad muy importante de una estructura que no se ha esforzado más allá de
su punto de fluencia, es que ésta recuperará su longitud original cuando se
suprimen las cargas. Si después de que las cargas se retiran la estructura no
recupera sus dimensiones originales, significa que se ha esforzado más allá de su
punto de fluencia.
El acero es una aleación que está compuesta principalmente de hierro (más del
98%). Contiene también pequeñas cantidades de carbono, silicio, manganeso,
azufre, fósforo y otros elementos. El carbono es el elemento que tiene la mayor
34
influencia en las propiedades del acero. La dureza y la resistencia aumentan con el
porcentaje de carbono.
2.5 DISEÑO ECONÓMICO DE MIEMBROS DE ACERO
El diseño de un miembro estructural de acero implica mucho más que el cálculo de
las propiedades requeridas para resistir las cargas y la selección del perfil más ligero
que tenga tales propiedades. Aunque a primera vista este procedimiento parece que
presenta los diseños más económicos. Deben considerarse otros factores. Algunos
de estos son los siguientes:
1. El proyectista necesita seleccionar las dimensiones en que se fabrican los
perfiles laminados. Vigas, placas y barras de tamaño poco comunes serán
difíciles de conseguir en periodos de mucha actividad constructiva y
resultarán costosos en cualquier época. Un poco de estudio le permitirá al
proyectista aprender a evitar tales perfiles.
2. En ciertos casos, pueden ser un error suponer que el perfil más ligero es el
más barato. Una estructura diseñada según el criterio de la “sección más ligera”
consistirá en un gran número de perfiles de formas y tamaños diferentes. Tratar
de conectar y adaptar todos estos perfiles será bastante complicado y el costo
del acero empleado probablemente será muy alto. Un procedimiento más
razonable será unificar el mayor número posible de perfiles en cuanto al
tamaño y forma aunque algunos sean de mayor tamaño.
3. Las vigas escogidas para los pisos de edificios son las de mayor peralte, ya
que esas secciones, para un mismo peso, tiene los mayores momentos
de inercia y de resistencia. Conforme aumenta la altura de los edificios,
resulta económico modificar este criterio, consideremos, por ejemplo, un
inmueble de 20 pisos debe tener una altura libre mínima. Si los peraltes de
las vigas se reducen, las vigas costarán más, pero la altura del edificio se
reducirá, con el consiguiente ahorro en muros, pozos de elevadores, alturas de
columnas, plomería, cableado y cimentaciones.
4. Los costos de montaje y fabricación de vigas de acero estructural
son aproximadamente los mismos para los miembros ligeros o pesados.
Las vigas deben entonces espaciarse tanto como sea posible para deducir el
número de miembros que tengan que fabricarse y montarse.
5. Los miembros de acero estructural deben pintarse sólo si lo requiere
la especificación aplicable. El acero no debe pintarse si va estar en contacto
con concreto. Además los diversos materiales resistentes al fuego usados para
proteger a los miembros de acero se adhieren mejor si las superficies no están
pintadas.
35
6. Es muy conveniente usar la sección el mayor número de veces posible.
Tal manera de proceder reducirá los costos del detallado; fabricación y montaje.
7. Para secciones grandes, particularmente las compuestas, el diseñador
necesita tener información relativa a los problemas de transporte. Esta
información incluye las máximas longitudes y alturas que pueden enviarse por
camión o por ferrocarril, los claros libres bajo puentes y líneas de transmisión
que se encuentran en el camino a la obra, así como las cargas permisibles
sobre los puentes que deban cruzarse. Es posible fabricar una armadura de
acero para techo en una sola pieza, pero tal vez no sea posible transportarlo a
la obra y montarla en una sola pieza.
8. Deben escoger secciones que sean fáciles de montar y mantener. Por ejemplo,
los elementos estructurales de un puente deben tener sus suficientes
expuestas, dispuestas de manera que puedan pintarse periódicamente (a
menos que se utilice un acero especial resistente a la corrosión).
9. Los edificios tienen con frecuencia una gran cantidad de tuberías,
conductos, etcétera, por lo que deben escogerse elementos estructurales que
sean compatibles con los requisitos de forma y tamaño impuestos por tales
instalaciones. 10. Los miembros de una estructura de acero, a veces están expuestos al
público, sobre todo en los caso de los puentes de acero y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura, como en el caso de los puentes. Los miembros expuestos pueden ser muy estéticos cuando se dispone de manera sencilla y tal vez cuando se escojan elementos con líneas curvas; sin embargo, ciertos arreglos pueden ser sumamente desagradables a la vista. Es un hecho que algunas estructuras de acero, bellas en apariencia, tienen un costo muy razonable. Un diseño económico se alcanza cuando la fabricación se minimiza.
2.6 FALLAS EN ESTRUCTURAS
El ingeniero Mecánico con poca experiencia necesita saber a qué debe dársele
la mayor atención y donde se requiere asesoría exterior. La vasta mayoría de los
ingenieros, con o sin experiencia, seleccionan miembros de suficiente tamaño y
resistencia. El colapso de las estructuras se debe usualmente a una falla de
atención a los detalles de las conexiones, deflexiones, problemas de montaje y
asentamientos de la cimentación. Las estructuras de acero rara vez fallan debido a
defectos del material más bien lo hacen por su uso impropio.
36
Una falla frecuente se debe a que después de diseñar cuidadosamente los miembros
de una estructura, se selecciona en forma arbitraria conexiones que pueden no
ser de suficiente tamaño. Los ingenieros delegan a veces el trabajo de seleccionar las
conexiones a los dibujantes, quienes quizá no tengan un conocimiento suficiente de
las dificultades que surgen en el diseño de las conexiones. Tal vez el error que se
comete con más frecuencia en el diseño de las conexiones es despreciar algunas de
las fuerzas que actúan en estas, por ejemplo los momentos torsionantes. En una
armadura para la que se han diseñado los miembros sólo para las fuerzas
axiales, las conexiones pueden estar excéntricamente cargadas, generándose así
momentos que causan incrementos en los esfuerzos. Esos esfuerzos secundarios
son en ocasiones tan grandes que deben ser considerados en el diseño.
Otra causa de fallas ocurre cuando las vigas soportadas sobre muros tienen un apoyo
o anclaje insuficiente. Imagine que una viga de este tipo que soporte un techo plano en
una noche lluviosa y que los drenes del techo no funciona adecuadamente.
Conforme el agua empieza a encharcarse sobre el techo, éste tiende a
flexionar la viga en el centro, ocasionando que se formen bolsas que captaran más
agua, lo que aumentará la flecha de la viga. Al deflexionarse la viga, ésta empuja
contra los muros, causando posiblemente el colapso de éstos o el deslizamiento de
los extremos de la viga hacia fuera de los muros.
Los asentamientos en las cimentaciones causan un gran número de
fallas estructurales, probablemente más que cualquier otro factor. La
mayoría de los asentamientos en cimentaciones no conducen a desplomes de
la estructura, pero con frecuencia ocasionan grietas de aspecto desagradable y
depreciación de sistema estructural.
Si todas las partes de la cimentación de una estructura se asientan
uniformemente, los esfuerzos en ésta, teóricamente no cambiarán. El diseñador que
usualmente no es capaz de impedir los asentamientos, debe procurar que el diseño
de la cimentación sea tal que los asentamientos que se presenten sean uniformes.
Asentamientos uniformes pueden ser una meta imposible de alcanzar por lo que se
debe entonces tomar en cuenta los esfuerzos producidos por variaciones en los
asentamientos. De acuerdo con el análisis estructural los asentamientos no uniformes
en estructuras estáticamente indeterminadas pueden causar variaciones extremas
en los esfuerzos. Cuando las condiciones para cimentar son deficientes, es
conveniente utilizar estructuras estáticamente indeterminadas, en las que los esfuerzos
no son apreciablemente modificados por asentamientos de los soportes. (El
estudiante aprenderá en análisis subsecuentes que la resistencia última de las
estructuras de acero es usualmente afectada sólo ligeramente por asentamientos
no uniformes de los soportes).
37
Algunas fallas estructurales ocurren porque no se da una atención adecuada a
las deflexiones, fatiga de miembros, arrastramiento contra ladeos, vibraciones y la
posibilidad de pandeo de miembros a compresión o de los patines de compresión de las
vigas.
La estructura usual cuando está terminada está suficientemente arriostrada con
pisos, muros, conexiones y arriostramiento especial, pero hay en ocasiones
durante la construcción en que muchos de estos elementos no están presentes.
Como se indico previamente, las peores condiciones pueden ocurrir durante el
montaje y pueden entonces requerirse un arriostramiento especial temporal.
2.7 EXACTITUD DE CALCULOS
Un punto muy importante, que muchos de los estudiantes con sus excelentes
calculadoras de bolsillo y computadoras personales tienen dificultad para entender,
que el diseño estructural no es una ciencia exacta y que no tiene sentido tener
resultados con ocho cifras significativas. Algunas de las razones se deben a que los
métodos de análisis se basan en suposiciones parcialmente ciertas, a que las
resistencias de los materiales varían apreciablemente ya que las cargas
máximas sólo pueden determinarse en forma aproximada. Con respecto a esta
última afirmación. Los cálculos con más de tres cifras significativas, obviamente
son de poco valor y pueden darle al estudiante una falsa impresión de exactitud
y de precisión.
38
UNIDAD III
ESPECIFICACIONES, CARGAS Y METODOS DE DISEÑO
3.1 ESPECIFICACIONES Y CÓDIGOS DE CONSTRUCCIÓN
El diseño de la mayoría de las estructuras está regido por especificaciones o
normas. Aun si éstas no rigen al diseño, el proyectista quizá las tomará como una
guía. No importa cuántas estructuras haya diseñado, es posible que el proyectista
haya encontrado toda situación posible, por lo mismo a recurrir a las
especificaciones, él recomendará el mejor material con el que se dispone. Las
especificaciones de ingeniería son desarrolladas por varias organizaciones y contienen
las opiniones más valiosas de esas instituciones sobre la buena práctica de ingeniería.
Las autoridades municipales y estatales, preocupadas por la seguridad pública, han
establecido códigos de control de la construcción de las estructuras bajo su
jurisdicción. Estos códigos, que en realidad son reglamentos, especifican las cargas de
diseño, esfuerzos de diseño, tipos de construcción, calidad de los materiales y
otros factores; varían considerablemente de ciudad en ciudad, hecho que
origina cierta confusión entre ingenieros.
Algunas organizaciones publican prácticas que se recomiendan para uso regional o
nacional; sus especificaciones no son legalmente obligatorias, a menos que estén
contenidas en el código de edificación local o formen parte de un contrato en
particular; entre esas organizaciones están el AISC (American Institute of Steel
Construction) Y AASHTO (American Association of State Highway and
Transportation Oficcials). Casi todos los códigos de construcción municipales y
estatales han adoptado las especificaciones AISC, y casi todos los departamentos
estatales de carreteras han adoptado las especificaciones AASHTO
Los lectores deben notar que los códigos escritos lógica y claramente son muy útiles
para los ingenieros de diseño. Es un hecho que hay menos fallas estructurales en
zonas que tienen buenos códigos y que son estrictamente acatados.
Mucha gente considera que las especificaciones impiden al ingeniero pensar por sí
mismo y tal vez hay alguna razón para una tal censura. Se dice que los antiguos
ingenieros que construyeron las grandes pirámides, el Partenón y los grandes
puentes romanos, los controlaban muy pocas especificaciones, lo que
indudablemente es verdad. Por otra parte, podría decirse que sólo algunos grandes
proyectos fueron realizados en el transcurso de muchos siglos, y que se hicieron
aparentemente sin tomar en cuenta el costo de los materiales, trabajo y vidas
39
humanas. Probablemente fueron construidos por intuición siguiendo reglas
empíricas desarrolladas en construcciones pequeñas en donde las resistencias
de sus miembros fallarían precisamente bajo ciertas condiciones. Seguramente que
sus numerosas fallas no han sido registradas en la historia y sólo sus éxitos
han perdurado.
Obviamente, si a todos los ingenieros se les permitiera diseñar construcciones como
las mencionadas, sin restricciones, seguramente habría muchas fallas desastrosas. Por
tanto, algo que debe recordarse como importante acerca de las especificaciones es
que las mismas no se han elaborado con el propósito de restringir al ingeniero, sino
con el de proteger al público.
No importa cuántas especificaciones se escriban, resulta imposible que cubran toda
situación posible. En consecuencia, no importa que código o especificación se use o
no, la responsabilidad última del diseño de una construcción segura es del ingeniero
Mecánico.
3.2 CARGAS MUERTAS
Se considerarán como las cargas muertas los pesos de todos los
elementos constructivos, de los acabados y de todos los elementos que
ocupan una posición permanente y tienen un peso que no cambia sustancialmente
con el tiempo.
Para la evaluación de las cargas muertas se emplearán las dimensiones
especificadas de los elementos constructivos y los pesos unitarios de los materiales.
40
3.3 CARGAS VIVAS
Se considerarán cargas vivas a las fuerzas que se producen por el uso y ocupación
de las edificaciones y que no tienen carácter permanente. A menos que se
justifiquen racionalmente otros valores.
Las cargas especificadas no incluyen el peso de muros divisorios de mampostería o
de otros materiales, ni el de muebles, equipos u objetos fuera de lo común, como
cajas fuertes de gran tamaño, archiveros importantes, libreros pesados o cortinajes
en salas de espectáculos.
Cuando se prevean tales cargas deberán cuantificarse y tomarse en cuenta en
el diseño en forma independiente de la carga viva especificada. Los valores
adoptados deberán justificarse en la memoria de cálculo e indicarse en los planos
estructurales.
.
3.4 FILOSOFIA DEL DISEÑO Y CONFIABILIDAD DE LAS
ESPECIFICACIONES ( LRFD)
Para la aplicación de las cargas vivas unitarias se deberán tomar en consideración
las siguientes disposiciones.
41
a) La carga viva máxima Wm. Se deberá emplear para el diseño estructural por
fuerzas gravitacionales y para calcular asentamientos inmediatos en suelos,
así como para el diseño estructural de los cimientos ante cargas
gravitacionales.
b) La carga instantánea Wa se deberá usar para el diseño sísmico y por
viento y cuando se revisen distribuciones de carga más desfavorables que la
uniformemente repartida sobre toda el área.
c) La carga media W se deberá emplear en el cálculo de los asentamientos
diferidos y para el cálculo de la flechas diferidas; y
d) Cuando el efecto de la carga viva sea favorable para la estabilidad de la
estructura, como en el caso de los problemas de flotación, volteo y de
succión por viento, su intensidad se considerará nula sobre toda el área, a
menos que pueda justificarse otro valor.
Dos filosofías del diseño están en actual uso. El diseño por esfuerzos de trabajo
(referido por AISC como Diseño por esfuerzos permisibles) y el diseño por estados
límite (referido por AISC como el Diseño por Factor de Carga y Resistencia). El
diseño por esfuerzos de trabajo ha sido la principal filosofía usada durante los
pasados 100 años. Durante los pasados 20 años aproximadamente, el diseño
estructural se ha estado moviendo hacia un más racional diseño basado en
probabilidad, referido el procedimiento como el diseño de “estados límite“ Haaijer y
Kennedy presentaron el actual concepto de estados límite y su uso en diseño. El
diseño por estados límite incluye los métodos normalmente referidos como “diseño
de resistencia última,” “diseño de resistencia,” “diseño plástico,” “diseño por factor de
carga,” “diseño límite,” y el reciente “Diseño por Factor de Carga y Resistencia
(LRFD).”
Las estructuras y los miembros estructurales deben de tener una adecuada
fuerza, como una adecuada rigidez y resistencia que permita un correcto
funcionamiento durante la vida de servicio de la estructura. El diseño debe proveer
alguna fuerza de reserva superior que las cargas de servicio que necesita sostener;
es decir, la estructura debe proveer la posibilidad de sobrecarga. La sobrecarga
42
puede surgir a partir de los cambios de uso por una estructura en particular a la que
fue diseñada, de menospreciar los efectos de las cargas por simplificar demasiado el
análisis estructural, y de las variaciones en los procedimientos de construcción. En
conclusión se prohíbe la posibilidad de tener una resistencia baja. Desviación en
las dimensiones de los miembros, aunque dentro de tolerancias aceptables, puede
resultar en miembros que tengan menor su fuerza calculada. Los materiales
(miembros de acero, pernos, y soldaduras) pueden tener una menor fuerza que la
usada en el diseño calculado. Una sección de acero puede ocasionalmente tener una
producción de esfuerzo menor al valor mínimo especificado, pero sin embargo
dentro de los límites aceptados estadísticamente.
El diseño estructural tiene que proveer una adecuada seguridad no importa que
filosofía de diseño se use. La provisión debe hacerse por sobrecarga y por una
fuerza menor. El estudio del que está constituido la correcta formulación de la
seguridad estructural ha estado continuando durante los pasados treinta años. El
empuje principal ha estado examinado por varios métodos probabilísticos de
posibilidad de “falla” que ocurre en los miembros, conexiones o sistemas.
La palabra confiabilidad, se refiere al porcentaje estimado de veces que la
resistencia de una estructura será igual o excederá a la carga máxima aplicada a ella
durante su vida estimada (digamos 50 años).
En esta parte describe:
1. Los investigadores del método LRFD desarrollaron procedimientos para estimar
la confiabilidad de los diseños.
2. Establecieron lo que les pareció razonable en cuanto a porcentajes de
confiabilidad para diferentes situaciones.
3. Lograron ajustar los factores de resistencia para que los proyectistas fuesen
capaces de obtener los porcentajes de confiabilidad establecidos en el punto
anterior.
El término falla, como se usa en esta exposición, sobre la confiabilidad.
Supongamos que un proyectista afirma que sus diseños son 99.7% confiables (y este
es el valor aproximado que se obtiene con la mayoría de los diseños hechos con el
LRFD). Esto significa que si diseñase 1000 estructuras diferentes, 3 de ellas
estarían probablemente sobrecargadas en algún momento durante sus vidas
estimadas de 50 años y entonces fallarían. Se podrá pensar que es un porcentaje
inaceptablemente alto de fallas.
Para el autor, 99.7% de confiabilidad no significa que 3 de las 1000 estructuras van
a desplomarse; significa más bien que esas estructuras en algún momento estarán
43
cargadas en el intervalo plástico y tal vez en el intervalo de endurecimiento por
deformación. En consecuencia, las deformaciones podrán ser muy grandes durante
la sobrecarga y podrá ocurrir algún daño ligero. No se espera que alguna de esas
estructuras se desplome.
El enfoque correcto a un método simplificado para obtener una probabilidad basada
en la evaluación de la seguridad estructural usa los métodos de confiabilidad
segundo- momento y de primer-orden. Tal método asume la carga (o el efecto de la
carga) Q y la resistencia R en sondeos variables. La típica distribución de
frecuencia de estos sondeos variables es mostrada en la siguiente figura. Cuando la
resistencia R excede la carga (o el efecto de la carga) Q ahí hay un margen de
seguridad. A menos que R exceda a Q por una cantidad grande, hay alguna
posibilidad de que R pueda ser menor que Q . Distribución de frecuencia de la carga Q
y la resistencia R.
Como resultado del trabajo anterior ahora es posible diseñar un elemento particular
de acuerdo con una cierta edición de las especificaciones American Institute Of
Steel Construction (AISC) y, con la información estadística apropiada, calcular el valor
de β para el diseño. Este proceso se denomina calibración.
El resultado de nuestro estudio de los diseños de esas estructuras de acero,
mostrara que el porcentaje de estructuras para las cuales las resistencias de diseño
igualan o exceden a la peor carga anticipada, variará al examinar los diseños
hechos de acuerdo con los requisitos de diferentes ediciones de las
especificaciones del American Institute Of Steel Construction (AISC). Además,
nuestros cálculos mostrarán que esta confiabilidad variará para los diseños de
diferentes tipos de miembros estructurales (tales como columnas y vigas) hechos
con la misma edición de las especificaciones del American Institute Of Steel
Construcción (AISC).
Basado en los cálculos de confiabilidad descritos aquí, los investigadores decidieron
usar valores β consistentes en estas nuevas especificaciones. Estos son los valores
que ellos seleccionaron:
1. β = 3.00 para miembros sujetos a cargas de gravedad.
2. β = 4.50 para conexiones. (Este valor refleja la práctica común de diseñar las
conexiones con mayor resistencia que la asociada a los miembros conectados)
3. β = 2.5 para miembros sujetos a cargas de gravedad y viento. (Este valor
refleja la antigua idea de que los factores de seguridad no tienen que ser
tan grandes en los casos en que se presentan cargas laterales, ya que éstas
44
son de corta duración) 4. – β = 1.75 para miembros sujetos a cargas de
gravedad y sismo.
Luego los valores de los factores de resistencia para las partes de las
especificaciones se ajustaron de modo que los valores β mostrados antes, se
obtuvieron en el diseño. Esto ocasiona que la mayoría de los diseños hechos con el
método LRFD resulten casi idénticos a los obtenidos con el método de esfuerzos
permisibles cuando la relación de la carga viva con la muerta es de 3.
3.5 AISC – DISEÑO DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA LRFD
El diseño con factores de carga y resistencia se basan en los conceptos de
estado límite. El término estado límite se usa para describir una condición en la que
una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función. Existen dos tipos
de estado límite: los de resistencia y los de servicio.
Los estados límite de resistencia se basan en la seguridad o capacidad de carga
de las estructuras e incluyen las resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de
fatiga, de volteo, etc.
Los estados límites de servicio se refieren al comportamiento de las estructuras bajo
cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el
uso y ocupación, tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y
agrietamientos.
La estructura no sólo debe ser capaz de soportar las cargas de diseño o últimas, sino
también las de servicio o de trabajo en forma tal, que se cumplan los requisitos
de los usuarios de ella.
Las especificaciones LRFD se concentra en requisitos muy específicos relativos a
los estados límite de resistencia y le permitan al proyectista cierta libertad en el
área de servicio. Esto no significa que el estado límite de servicio no sea significativo,
sino que la consideración más importante (como en todas las especificaciones
estructurales) es la seguridad y las propiedades de la gente. Por ello, la seguridad
pública no se deja al juicio del proyectista.
El diseño con factores de carga y resistencia se basan en los conceptos de
estado límite. El término estado límite se usa para describir una condición en la que
una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función. Existen dos tipos
de estado límite: los de resistencia y los de servicio.
45
Los estados límite de resistencia se basan en la seguridad o capacidad de carga
de las estructuras e incluyen las resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de
fatiga, de volteo, etc.
Los estados límites de servicio se refieren al comportamiento de las estructuras bajo
cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el
uso y ocupación, tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y
agrietamientos.
La estructura no sólo debe ser capaz de soportar las cargas de diseño o últimas, sino
también las de servicio o de trabajo en forma tal, que se cumplan los requisitos
de los usuarios de ella.
Las especificaciones LRFD se concentra en requisitos muy específicos relativos a
los estados límite de resistencia y le permitan al proyectista cierta libertad en el
área de servicio. Esto no significa que el estado límite de servicio no sea significativo,
sino que la consideración más importante (como en todas las especificaciones
estructurales) es la seguridad y las propiedades de la gente. Por ello, la seguridad
pública no se deja al juicio del proyectista.
El miembro izquierdo de esta expresión se refiere a los efectos de las cargas en la
estructura, y el derecho a la resistencia o capacidad el elemento estructural.
En la universidad de Washington en San Luis, Mo., se llevó a cabo un proyecto de
investigación sobre el método LRFD, de 1969 a 1976, bajo la dirección de T.V.
Galambos y M.K. Ravindra; al concluir este proyecto se publicó un artículo titulado
“Proposed Criteria for Load and Resistance Factor Desing of Steel Building Structures
(directrices propuestas para el método de diseño por factor de carga y resistencia de
estructuras de acero)
3.6 AISC – DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES (ASD)
El método tradicional de las especificaciones AISC diseño por esfuerzos permisibles
(también llamado diseño por esfuerzos de trabajo) En el ASD la idea principal son
las condiciones de las cargas de servicio (La unidad de esfuerzos asumen una
estructura elástica) cuando se satisface el requerimiento de seguridad (resistencia
adecuada) por la estructura. El AISC 1989 la especificación para el diseño por
esfuerzos permisibles es referido también como la especificación ASD.
46
En esta filosofía todas las cargas son asumidas hacia tener la misma variabilidad
promedio. La variabilidad completa de las cargas y las fuerzas esta puesta sobre el
lado de la fuerza de la ecuación. Para examinar la ecuación los términos de el diseño
por esfuerzos permisibles para vigas, el lado izquierdo puede representar la fuerza
de la viga nominal M n dividido por un factor de seguridad FS.
Los esfuerzos permisibles de la especificación ASD son derivadas de la idónea
fuerza lograda si la estructura es sobrecargada. Cuando la sección es dúctil y sujeta
esto no ocurre, la fuerza es mayor que la “primer cedida” esfuerzo, puede existir en la
sección ( Es)es el modulo de elasticidad ). Similar al comportamiento inelástico
dúctil puede permitir cargas altas a ser transportadas que las posibles si la
estructura tiende a seguir siendo enteramente elástica. En tales casos los
esfuerzos permisibles son ajustados hacia arriba. Cuando la fuerza es limitada por
unión o alguna otra conducta tal que el esfuerzo no llega el esfuerzo cedido, el
esfuerzo permitido es ajustado hacia abajo.
El requerimiento de servicio tal como el límite de desviación son siempre
investigados en las condiciones de carga de servicio, si el procedimiento del diseño
LRFD o el ASD es usado para satisfacer los requerimientos de seguridad.
3.7 AISC – DISEÑO PLASTICO
Tradicionalmente, la parte 2 de la especificación AISC llamada Diseño Plástico. La
especificación de 1989 para edificios de acero estructural ( Structural Steel
Buildings) contiene el Diseño plástico en la unidad N. El diseño plástico es un especial
caso del diseño de estados límite, en qué el estado límite por fuerza es la
realización de la fuerza del momento plástico Mp. La fuerza del momento plástico es
la fuerza del momento cuando todas las fibras de las cruce de la secciones son a la
fuerza del momento cuando todas las fibras de las cruce de las secciones son a la
fuerza cedida Fy (un lado de el eje neutral en tensión y el otro lado en compresión). El
diseño plástico no permite usar otros estados límite. Así como inestabilidad, fatiga, o
fractura. La filosofía del diseño es usada por AISC aplicada a miembros flexurales
incluyendo vigas – columnas.
47
3.8 POR QUE SE RECOMIENDA UTILIZAR EL METODO LRFD
Las varias ventajas de el método LRFD son bien expresadas por BEEDLE, cuya
lista es la base de lo siguiente.
1.- El método LRFD es otra “herramienta” para los ingenieros estructurales que
usan el diseño en acero Por qué no tiene las mismas herramientas (factores de
sobrecarga variables y factores de resistencia) disponibles para el diseño en acero
como son disponibles para el diseño en concreto.
2.- Adoptar el método LRFD no es obligatorio pero provee una flexibilidad de opciones
al diseñador. El mercado puede ser dedicado sí o no al método LRFD este puede
convertirse en el único método.
3.- El ASD es un aproximado camino a informar por qué el método LRFD es un
camino más racional. El uso del concepto del diseño plástico en el método ASD
tiene un hecho tal que no es ilógico poder ser denominado un método de “diseño
elástico”.
4.- Lo razonable del método LRFD siempre ha sido atractivo, y corresponde un
permitido incentivo al mejor y más económico uso de material para algunas
combinaciones de carga y una configuración estructural. El método puede también
llevar probablemente a tener estructuras seguras en vista de la práctica arbitraria
debajo del método de diseño por esfuerzos permisibles ASD de la combinación de las
cargas muertas y las cargas vivas y tratándolas iguales.
5.- Usando la combinación de los factores de carga múltiples, puede llevar a lo
económico.
6.- El método LRFD puede facilitar los datos de nueva información sobre cargas y
variaciones de carga como tal la información llega a ser disponible. Considerablemente
el conocimiento de la resistencia de las estructuras de acero es disponible. De otra
manera, nuestro conocimiento de las cargas y de las variaciones de las cargas es
mucho menor. Separando las cargas de las resistencias permite un cambio de uno sin
el otro si esto se desea.
7.- Cambios en los factores de sobrecarga y en los factores de resistencia son muy
fáciles de hacer que un cambio en el método de diseño por esfuerzos permisibles
(ASD).
8.- El método LRFD hace diseños en todos los materiales más compatibles. La
variabilidad de las cargas es actualmente no relacionada a los materiales usados en
48
el diseño. Las futuras especificaciones no dentro del formato del estado límite para
algunos materiales pueden poner el material en una desventaja en el diseño.
9.- El método LRFD provee a la estructura a manejar las cargas inusuales que no
pueden estar cubiertas por la especificación. El diseño no puede tener la certeza de
relacionarse a la resistencia de la estructura, en este caso la resistencia de los
factores puede ser modificada. De otra manera no se tiene la certeza de poder
relacionar a las cargas y los factores de sobrecarga diferentes que pueden ser usados.
10.- Las instrucciones futuras en la calibración del método puede estar hechas sin
muchas complicaciones. La calibración del método LRFD se hizo para una situación
promedio para poder estar ajustada en el futuro.
11.- La economía es probablemente de un resultado para bajar la carga viva a
proporción la carga muerta. Para una carga viva alta a proporción de la carga
muerta allí puede estar levemente el mayor costo.
12.- La seguridad de las estructuras puede resultar debajo del método LRFD por qué el
método te recomienda llevar a una vigilancia mejor del comportamiento
estructural.
13.- La práctica del diseño está aún en inicio con diferencia a el estado límite de
servicio; Sin embargo, es menor la aproximación que provee el método LRFD.
Es importante que el diseñador estructural entienda ambas filosofías del diseño
porqué algunas estructuras se continúan diseñando con el método de diseño por
esfuerzos permisibles ASD y el diseñador estructural puede frecuentemente
necesitar evaluar estructura hechas con anterioridad.
3.9 ANALISIS DE LA ESTRUCTURA
En general el análisis de las estructuras lo podemos obtener con las cargas
de servicio (o los efectos carga del momento, cortante, fuerza axial y el momento
torsionante) en los miembros es representado igual por el LRFD como por ASD. El
método elástico del análisis estructural es usado excepto cuando el estado límite es
el mecanismo de colapso plástico. Un primer-orden de análisis es suficiente en una
estructura de marcos usual que es el refuerzo contra el balance. En un primer-orden
de análisis, la ecuación de equilibrio está basado en la original geometría de la
estructura. Esto significa que el diseñador está asumiendo que las fuerzas
internas (momentos, cortantes, etc.) no son afectadas los suficientes por el
49
cambio en la forma de la estructura que justifique una análisis más complicado.
Cuando el desplazamiento elástico es pequeño comparado con las
dimensiones, esta aproximación puede ser satisfactoria.
La más común situación donde un efecto de segundo-orden debe ser considerado es
en una estructura de varios pisos que debe contar con la rigidez de la interacciones de
vigas y columnas que resista el balance de las cargas laterales (viento y/o sismo) Esto
es llamado sin refuerzo en los marcos. En este caso el desplazamiento lateral
(también llamado balance o flotación) causas adicionales momentos debido a las
cargas gravitacionales (∑p) actuando en posiciones que tienen desplazamientos por
una cantidad.
50
UNIDAD IV
ANALISIS SISMICO
4.1 COEFICIENTES Y ESPECTROS DE DISEÑO SISMICO
Las estructuras se deben calcular para pode resistir un sismo de intensidad
aproximadamente igual o mayor a 8° en la escala de Richter, “ para esos 50
segundos que suceden cada 25 años”.
El diseño sísmico de Naves Industriales debe seguir las prescripciones del
reglamento o código de construcciones de la localidad que los alberga. El primer
paso del diseño es el análisis sísmico que permite determinar qué fuerzas representan
la acción sísmica sobre el edificio y qué elementos mecánicos (fuerzas
normales y cortantes y momentos flexionantes) producen dichas fuerzas en cada
miembro estructural del edificio. Para este fin, los reglamentos aceptan que las
estructuras tienen comportamiento elástico lineal y que podrá emplearse el método
dinámico modal de análisis sísmico, que requiere el cálculo de periodos y modos de
vibrar. Con ciertas limitaciones, se puede emplear el método estático de análisis
sísmico que obvia la necesidad de calcular modos de vibración. Cualquiera que sea el
método de análisis, los reglamentos especifican espectros o coeficiente para diseño
sísmico que constituyen la base del cálculo de fuerzas sísmicas.
Se presenta los métodos simplificado de análisis, estático y dinámico dentro el
contexto del Reglamento vigente en el Distrito Federal (RCDF), aunque la mayoría
de los conceptos son independientes de las disposiciones reglamentarias y pueden
emplearse con otros reglamentos de construcción, con variantes menores que
reflejan los requisitos correspondientes de tales documentos, principalmente los
espectros o coeficientes sísmicos estipulados para cada lugar.
Como en sus versiones anteriores, el cuerpo principal del RCDF incluye solamente
requisitos de carácter general. Métodos de análisis y prescripciones
particulares para estructuras específicas están contenidos en las Normas Técnicas
Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS). Además, requisitos específicos
para el diseño sísmico de los principales materiales estructurales se encuentran en
las Normas Técnicas para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto,
Metálicas, de Mampostería y de Madera, respectivamente.
51
El título sexto del RCDF se llama Seguridad Estructural de las Construcciones y
consta de 13 capítulos, varios de los cuales contienen disposiciones referentes al
diseño sísmico ; en particular, el capítulo VI, se titula diseño por sismo y en sus
cláusulas se establecen las bases y requisitos de diseño para que las
estructuras tengan adecuada seguridad ante la acción sísmica. Este capítulo está
formado por los artículos 164 a 167 y hace referencia a las NTDS. Este último
documento contiene 11 secciones y un apéndice dividido a su vez en las secciones
A1 a A6.
4.2 FACTORES DE SEGURIDAD –ASD YLRFD COMPARADOS
La Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS) estipula la
ordenada del espectro de aceleraciones, a , que se debe adoptarse cuando se
aplique el análisis dinámico modal. Este espectro se usa también en la sección 8
de las NTDS para definir el coeficiente sísmico para calcular la fuerza
cortante basal en el análisis estático. Expresada como fracción de la aceleración
de la gravedad, a está dada por:
A (1 3T Ta ) c 4 , si T es menor que Ta
a c, si T está entre Ta yTb
a qc, si T excede de Tb
Donde T es el periodo natural de interés; T ,Ta yTb están expresados en segundos
se denomina coeficiente sísmico, y constituye el índice más importante de la
acción sísmica que emplea el RCDF tanto para análisis estático como dinámico. Este
coeficiente es una cantidad a dimensional que define la fuerza cortante horizontal que
actúa en la base de un edificio como una fracción del peso total del mismo, W .
Los valores de c, Ta , Tb y del exponente de r depende de en cuál de las zonas
del Distrito Federal estipuladas en el artículo 219 del Reglamento de construcciones
para el Distrito Federal (RCDF), se encuentra el edificio. En la siguiente tabla
se describen dichas zonas, que se identifican como I a III, siendo la I la zona de
terrenos más firmes o de lomas, II de la transición y III la de terrenos más blandos
o de lago. Una parte de las zonas II y III se denominan zona IV y para ella
existen algunas limitaciones en la aplicación de métodos de diseño que incluyen
efectos de interacción suelo- estructura. De acuerdo con el Reglamento de
construcciones para el Distrito Federal (RCDF), la zona a que corresponde un predio
52
se determina a partir de investigaciones que se realicen en el subsuelo del mismo,
tal y como lo establecen las Normas Técnicas para Diseño de Cimentaciones.
Cuando se trata de construcciones ligeras o medianas cuyas características
se definen en dichas Normas, puede determinarse la zona mediante el mapa
incluido en las mismas, que hemos reproducido en la figura con nombre de
(Zonificación del D.F. para fines de diseño por sismo) mostrada posteriormente, que se
si el predio esta dentro de la porción zonificada. Los predios que se encuentren a
menos de 200m de las fronteras entre dos zonas se supondrán ubicados en la más
desfavorable.
Zonas en que se divide el distrito federal.
Zona Descripción
I Lomas. Formados por rocas o suelos generalmente firmes que
fueron depositados fuera del ambiente lacustre, pero en los que pueden
existir, superficialmente o intercalados, depósitos arenosos en estado
suelto o cohesivos relativamente blandos. Es frecuente la presencia de
oquedades en rocas y de cavernas y túneles excavados en suelos para
explotar minas de arena.
II Transición. Los depósitos profundos se encuentran a 20 m de
profundidad o menos. Constituida predominantemente por estratos
arenosos y limoarsillosos intercalados con capa de
arcilla lacustre, el espesor de estas es variable entre decenas de
centímetros y pocos metros.
lll Lacustre. Integrada por potentes depósitos de arcilla altamente
comprensible, separados por capas arenosas con contenido diverso de
limo o arcilla. Estas capas arenosas son de consistencia firme a muy
dura y de espesores variables de centímetros a varios metros. Los
depósitos lacustres suelen estar cubiertos superficialmente por suelos
aluviales y rellenos artificiales, el espesor de este conjunto puede ser
superior a 50 m.
Para cada zona, Ta ,Tb yr se consignan en la siguiente tabla que se basa en la
tabla 3.1 de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS).
El coeficiente sísmico c varía además en función de la importancia de la
construcción, específicamente del grupo en el que se clasifique al edificio según a la
53
agrupación de las construcciones del Reglamento de construcciones para el Distrito
Federal (RCDF), que refleja el artículo 139. Para las construcciones clasificadas como
del grupo B, c se tomara igual a 0.16 en la zona I, 0.32 en la zona II y 0.40 en la III.
Teniendo en cuenta que es mayor la seguridad que se requiere para
construcciones en que las consecuencias de su falla son particularmente graves o
para aquellas que es vital que permanezcan funcionando después de un evento
sísmico intenso, se incrementa el coeficiente sísmico en 50 por ciento, para
diseñar las estructuras de estadios, hospitales y auditorios, subestaciones
eléctricas y telefónicas y otras clasificadas dentro del grupo A,
Subzonificación de las zonas de lago y transición.
54
Las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por sismo, muestra la siguiente
tabla con los valores de los parámetros para calcular los espectros de aceleraciones.
Zona c a0 Ta Tb r
I 0.16 0.04 0.2 1.35 1.0
II* 0.32 0.08 0.2 1.35 1.33
IIIa + 0.40 0.10 0.53 1.80 2.0
IIIb + 0.45 0.11 0.85 3.0 2.0
IIIc + 0.40 0.10 1.25 4.20 2.0
IIId + 0.30 0.10 0.85 4.20 2.0
Mapa del zonificación del D.F. para fines de diseño por sismo.
55
En el manual de diseño de obras civiles diseño por sismo nos muestra la siguiente
tabla con el espectro de diseño sísmico para la República Mexicana.
ZONA SÍSMICA
DE LA
REPÚBLICA
MÉXICANA
TIPO DE SUELO
a0
C
Ta (s)
Tb (s)
r
ZONA A
I (TERRENO FIRME) 0.02 0.08 0.2 0.6 ½
II (TERRENO DE
TRANSICIÓN)
0.04 0.16 0.3 1.5 2/3
III (TERRENO
COMPRESIBLE)
0.05 0.2 0.6 2.5 1
ZONA B
I (TERRENO FIRME) 0.04 0.14 0.2 0.6 ½
II (TERRENO DE
TRANSICIÓN)
0.08 0.3 0.3 1.5 2/3
III (TERRENO
COMPRESIBLE)
0.1 0.36 0.6 2.9 1
I (TERRENO FIRME) 0.36 0.36 0 0.6 ½
II (TERRENO DE
TRANSICIÓN)
0.64 0.64 0 1.4 2/3
56
ZONA C III (TERRENO
COMPRESIBLE)
0.64 0.64 0 1.9 1
ZONA D
I (TERRENO FIRME) 0.50 0.50 0 0.6 ½
II (TERRENO DE
TRANSICIÓN)
0.86 0.86 0 1.2 2/3
III (TERRENO
COMPRESIBLE)
0.86 0.86 0 1.7 1
Agrupación de construcciones según el RCDF.
Grupo Descripción
57
Grupo A Construcciones cuya falla estructural podría causar un número elevado
de muertes, perdidas económicas o culturales excepcionalmente altas,
o que constituyan un peligro significativo por contener sustancias toxicas
o explosivas, así como construcciones cuyo funcionamiento es esencial a raíz de
una emergencia urbana, como hospitales y escuelas, estadios, templos,
salas de espectáculos y hoteles que tengan salas de reunión que pueden alojar
mas de 200 personas; gasolineras, depósito de sustancias inflamables o
toxicas, terminales de transporte, estaciones de bomberos, subestaciones eléctricas,
centrales telefónicas, y de telecomunicaciones, archivos y registros públicos de particular
importancia a juicio del departamento, museos, monumentos y locales que alojen
equipo especialmente costoso, y
Grupo B Construcciones comunes destinadas a vivienda, oficinas y locales
comerciales, hoteles y construcciones comerciales e industriales no incluidas en el
grupo A, las que se subdividen en:
Subgrupo B1 Construcciones de más de 30m de altura o con más de 6,000 m2
de área
total construida, ubicadas en la zona I y II según se definen en el artículo 175, y
construcciones de más de 15m de altura o 3,000 m2
de área total construida en zona
III, y
Subgrupo B2 Las de más de este grupo.
Salvo que, siguiendo las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo
(NTDS), en la parte sombreada de la zona II en la figura anterior (figura 3.1 de las
NTDS) se tomara c 0.4 para las estructuras del grupo B y c 0.6 para las del A.
Sería impráctico diseñar edificios para que resistan sismos severos manteniendo
comportamiento elástico; por tanto, los reglamentos de construcción prescriben
materiales y detalles constructivos tales que las estructuras pueden incursionar en
comportamiento inelástico y disipar la energía impartida por un temblor fuerte
mediante histéresis. Esto permite reducir las fuerzas elásticas de diseño sísmico
mediante factores que reflejan la capacidad del sistema estructural para
deformarse inelásticamente ante fuerzas laterales alternantes sin perder su
resistencia (ductibilidad). En el caso del Reglamento de Construcciones para el
Distrito Federal (RCDF), las fuerzas para análisis estático y las obtenidas del
análisis dinámico modal se pueden reducir dividiéndolas entre el factor Q´ que
depende del factor de comportamiento sísmico Q para estructuras que satisfacen
58
las condiciones de regularidad que fija la sección 6 de las Normas Técnicas
Complementarias
Requisitos de regularidad para una estructura.
1. Planta sensiblemente simétrica en masas y elementos resistentes con respecto a dos
ejes ortogonales.
2. Relación de altura a menor dimensión de la base menor de 2.5.
3. Relación de largo a ancho de la base menor de 2.5.
4. En planta no tiene entrantes ni salientes cuya dimensión exceda de 20 por ciento de
la dimensión de la planta medida paralelamente a la dirección que se considera de la
entrante o saliente.
5. Cada nivel tiene un sistema de techo o piso rígido y resistente.
6. No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensión exceda de 20 por
ciento de la dimensión en planta medida paralelamente a la dimensión que se considere
de la abertura. Las áreas huecas no ocasionan asimetrías significativas ni difieren en
posición de un piso a otro y el área total aberturas no excede en ningún nivel de 20
por ciento del área de la planta.
7. El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseño
sísmico, no es mayor que la del piso inmediato inferior ni, excepción hecha del último
nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso.
59
8. Ningún piso tiene un área, delimitada por los patios exteriores de sus elementos
resistentes verticales, mayor que la del piso inmediato inferior ni menor que 70 por
ciento de esta. Se exime de este último requisito únicamente al último piso de la
construcción.
9. Todas las columnas están restringidas en todos los pisos en dos direcciones
ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas planas.
10. La rigidez al corte de ningún entrepiso excede en más de 100 por ciento a la del
entrepiso inmediatamente inferior.
11. En ningún entrepiso la excentricidad torsional calculada estáticamente, es , excede
Los valores de Q dependen del tipo de sistema estructural que suministra la
resistencia a fuerzas laterales y de los detalles de dimensionamiento que se adopten,
como se muestra a continuación en la siguiente tabla que refleja la sección 5 de
las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS). Esta sección
también estipula que en todos los casos se usará para toda la estructura en la
dirección de análisis el valor mínimo de Q que corresponde a los diversos entrepisos
de la estructura en dicha dirección. Además se nota que Q puede diferir en las dos
direcciones ortogonales en que se analiza la estructura, según sean las
propiedades.
Factor de comportamiento sísmico, Q.
Factor Q Requisitos
1. La resistencia en todos los entrepisos es su ministrada exclusivamente por
marcos no contra venteados de acero o concreto reforzado por marcos contra
venteados o con muros de concreto reforzado en los que en cada entrepiso
los marcos son capaces de resistir, sin contar muros ni contravientos, cuando
menos 50% de la fuerza sísmica actuante.
2. Si hay muros ligados a la estructura en la formal y del artículo 204 del tener en
cuenta en el análisis, pero su contribución a la capacidad ante fuerzas laterales
solo se tomará en cuenta si estos muros es de piezas macizas, y los marcos
60
sean o no contra venteados, y los muros de concreto reforzado son capaces de
resistir al menos 80 por ciento de las fuerzas laterales totales sin la contribución
de los muros de mampostería.
3. El mínimo cociente de la capacidad resistente de un entrepiso entre la acción
de diseño no difiere en más de 35 por ciento del promedio de dichos cocientes
para todos los entrepisos. Para verificar el cumplimiento de este requisito, se
calculará la capacidad resistente de cada entrepiso teniendo en cuenta todos los
elementos que puedan contribuir a la resistencia, en particular los muros que se
hallen en el caso I a que se refiere el artículo 204 del RCDF.
4. Los marcos y muros de concreto reforzado cumplen con los requisitos que fijan
las normas técnicas correspondientes para marcos y muros dúctiles.
5. Los marcos rígidos de acero satisface lo requisito para marcos dúctiles que
fijan las normas técnicas correspondientes.
4.3 ELECCIÓN DEL TIPO DE ANÁLISIS.
Según sean las características de la estructura que se trate, ésta podrá analizarse
por sismo mediante el método simplificado, el método estático o unos de los
dinámicos (dinámico modal o el dinámico paso a paso) con las limitaciones que
se establecen a continuación.
Método simplificado de análisis. El método simplificado al que se refiere en el
capítulo 7 de las de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por sismo
(NTDS) será aplicable al análisis de Edificios (considerando Naves Industriales)
que cumplan simultáneamente los siguientes requisitos:
a) En cada planta, al menos el 75% de las cargas verticales estarán soportadas por
muros ligados entre sí mediante losas monolíticas u otros sistemas de piso
suficientemente resistentes y rígidos al corte. Dichos muros tendrán distribución
sensiblemente simétrica con respecto a dos ejes ortogonales y deberán satisfacer las
condiciones que establecen las Normas Correspondientes.
c) La relación entre la altura y la dimensión mínima de la base del edificio no
excederá de 1.5 y la altura del edificio no será mayor que 13m.
61
Análisis Estático y Dinámico. Los métodos dinámicos (dinámico modal y
dinámico paso a paso) pueden utilizarse para el análisis de toda estructura,
cualesquiera que sean sus características. Puede utilizarse el método estático
para analizar estructuras regulares, de altura no mayor de 30, y estructuras
irregulares de no más de 20m. Para edificios ubicados en la zona I, los límites
anteriores se amplían 40m y 30m, respectivamente. Con las mismas
limitaciones relativas al uso del análisis estático, para estructura ubicadas en las
zonas II o III también será admisible emplear los métodos de análisis que
especifica el Apéndice A del Reglamento De Construcciones para el Distrito Federal
(RCDF), en los cuales se tiene en cuenta los periodos dominantes del terreno en el
sitio de interés y la interacción suelo-estructura.
Aplicabilidad del método simplificado de análisis al proyecto en estudio.
En el inciso a) dice que en cada planta, al menos el 75% de las cargas
verticales estarán soportadas por muros ligados entre sí mediante losas monolíticas u
otros sistema de piso suficientemente resistentes y rígidos al corte. Ya que la
edificación que se está analizando en esta tesis es una Nave Industrial donde no se
tienen muros ligados entre sí, su sistema constructivo en cubierta es suficientemente
rígido al corte. No se cumple con este punto.
En el inciso b) dice que la relación entre la longitud y ancho de la planta del edificio
no excederá de 2.0m, a menos que para fines de análisis sísmico se pueda suponer
dividida dicha planta en tramos independientes cuya relación entre longitud y ancho
satisfaga esta restricción y las que fijan el punto anterior, y cada tramo resista el
criterio del capítulo 7 de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por
Sismo (NTDS). Analizando el punto, L = 47.67 H = 25.75 entonces 47.97/25.75 =
1.85 < 2.0 Por lo que este punto se cumple.
En el inciso c) dice que la relación entre la altura y la dimensión mínima de la base
del edificio no excederá de 1.5 y la altura del edificio no será mayor de 13.0 metros.
H =8.70 B = 25.75 entonces 8.70/25.75 = 0.34 < 1.5 por lo que cumplimos con este
punto, la altura máxima del edificio es de 8.70 m < 13.0 m. por lo que también se
cumple con este punto.
62
En conclusión no ocuparemos el método simplificado de análisis ya que la nave
industrial no cumple con uno de los requisitos solicitados.
Utilizaremos el método estático de análisis ya que este nos permite analizar
estructuras regulares de altura no mayor de 30m, y estructuras irregulares de no más
de 20m.
No utilizaremos el análisis dinámico (dinámico modal y el análisis paso a paso) ni los
métodos de análisis que especifica el Apéndice A, en los cuales se tienen en
cuenta los periodos dominantes del terreno en el sitio de interés y la interacción suelo-
estructura, ya que según las consideraciones que hemos analizado nos permite utilizar
el método de análisis estático además de que esta tesis tiene el objetivo de dar
a conocer los fundamentos generales del análisis y diseño estructural y no
pretende plasmar cálculos con un grado de dificultad alto para los estudiantes y
egresados de las carrera de ingeniería y Arquitectura principalmente.
El análisis estático se describe en la sección 8 de las Normas Técnicas
Complementarias para Diseño por sismo (NTDS) y, en términos generales, su
aplicación requiere los siguientes pasos:
a) Se representa la acción del sismo por fuerzas horizontales que actúan en los
centros de masas de los pisos, en dos direcciones ortogonales.
b) Estas fuerzas se distribuyen entre los sistemas resistentes a carga lateral que
tiene el edificio (muros y/o marcos)
c) Se efectúa el análisis estructural de cada sistema resistente ante las cargas
laterales que le correspondan
63
UNIDAD V
DISEÑO POR VIENTO
5.1 ALCANCE
En este tema se presentan los procedimientos necesarios para determinar
las velocidades de diseño por viento en la República Mexicana y las fuerzas
mínimas por viento que deben emplearse en el diseño de diferentes tipos de
estructuras.
En la determinación de las velocidades de diseño sólo se consideraron los efectos de
los vientos que ocurren normalmente durante el año en todo el país y los
causados por huracanes en las costas del Pacífico, del Golfo de México y Caribe. No
se tomo en cuenta la influencia de los vientos generados por tornados debido a que
existe escasa información al respecto y por estimarlos como eventos de baja
ocurrencia que sólo se presentan en pequeñas regiones del norte del país,
particularmente y en orden de importancia, en los estados de Coahuila, Nuevo
León, Chihuahua y Durango. Por esta razón, en aquellas localidades en donde se
considere que el efecto de los tornados es significativo, deberán tomarse las
provisiones necesarias.
Es importante señalar que las recomendaciones aquí presentadas se deben
aplicar para revisar la seguridad del sistema de la estructura principal ante el efecto
de las fuerzas que generan las presiones (empujes o succiones) producidas por
el viento sobre las superficies de la construcción y que se transmiten a dicho sistema.
Así mismo, estas recomendaciones se utilizan en el diseño local de los elementos
expuestos de manera directa a la acción del viento, tanto los que forman parte del
sistema estructural, tales como cuerdas y diagonales, como los que constituyen un
recubrimiento, por ejemplo, láminas de cubiertas, elementos de fachadas y vidrios.
5.2 REQUISITOS GENERALES PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL.
Los requisitos generales que a continuación se listan son aplicables al diseño de
estructuras sometidas a la acción del viento y deberán considerarse como los
mínimos indispensables, los cuales son:
a) Dirección de análisis. Las construcciones se analizarán suponiendo que el
viento puede actuar por lo menos en dos direcciones horizontales
64
perpendiculares e indispensables entre sí. Se elegirán aquellas que
representen las condiciones más desfavorables para la estabilidad de la
estructura (o parte de la misma) en estudio.
b) Factores de carga y resistencia. En este caso es de suma importancia el
establecer los límites de carga de la estructura para poder determinar la
resistencia que estará sometida en la estructura, considerando momento máximo
de le viga para poder determinar su resistencia ultima.
c) Seguridad contra el volteo. En este caso, la seguridad de las
construcciones se analizará suponiendo nulas las cargas vivas que
contribuyan a disminuir este efecto. Para las estructuras pertenecientes a los
Grupos B y C, el cociente entre el momento estabilizador y el actuante de volteo
no deberá ser menor a 1.5, y para las de grupo A, no deberá ser menor que
2.0. La clasificación de las estructuras en grupos de acuerdo a su importancia
se menciona posteriormente.
d) Seguridad contra el deslizamiento. Al analizar esta posibilidad,
deberían suponerse nulas todas las cargas vivas. La relación entre la
resistencia al deslizamiento y la fuerza que provoca el deslizamiento
horizontal deberá ser por lo menos igual a 1.5 para estructuras de los
Grupos B y C, y para las del Grupo A, deberá ser por lo menos igual a 2.0
e) Presiones Interiores. Se presentan en estructuras permeables, esto es,
aquéllas con ventanas o ventilas que permitan la entrada del viento al
interior de la construcción. El efecto de estas presiones se combinará con el de
las presiones exteriores, de tal manera que para el diseño se deben tomar en
cuenta los efectos más desfavorables.
f) Seguridad durante la construcción. En esta etapa deberán tomarse las
medidas necesarias para garantizar la seguridad de las estructuras bajo la
acción del viento de diseño cuya velocidad corresponda a un periodo de
retorno de 10 años. Esta condición se aplicará también en el caso de
estructuras provisionales que deben permanecer durante un periodo
menor o igual a seis meses.
65
g) Efecto de grupo debido a construcciones vecinas. En todos los casos se
supone que la respuesta de la estructura en estudio es independiente de la
influencia, favorable o desfavorable, que en otras construcciones cercanas
pudieran proporcionarle durante la acción del viento. La proximidad y
disposición de ellas puede generar presiones locales adversas, y éstas a su vez
ocasionar el colapso de una estructura del grupo. Tal es el caso, por ejemplo,
de un grupo de chimeneas altas que se encuentran espaciadas entre sí a
menos de un diámetro y en donde la variación de presiones puede provocar
problemas de resonancia. La mejor forma de evaluar el efecto de grupo a
partir de resultados de pruebas experimentales, o efectuando este tipo de
pruebas en un túnel de viento. Por otra parte, cuando se trate de definir la
rugosidad del terreno alrededor del sitio de desplante, los obstáculos y
construcciones de los alrededores sí deben tomarse en cuenta.
h) Análisis Estructural. Es la parte donde se realizan los cálculos para poder
determinar las dimensiones finales de la estructura para su elaboración.
i) Interacción suelo estructura. Cuando el suelo del sitio de desplante sea
blando o compresible, deberán considerarse los efectos que en la
respuesta ante la acción del viento pueda provocar la interacción entre el suelo
y la construcción. Los suelos blandos para las cuales esta interacción
es significativa, serán aquellos que tengan una velocidad media de
propagación de ondas de cortante menor que 700 m/s, si se consideran
esos efectos, se seguirán los lineamientos recomendados en el diseño por
sismo, en donde se establecen los métodos para definir el periodo
fundamental y el amortiguamiento equivalente de la estructura. Estas
características equivalentes se utilizarán para evaluar las cargas debidas al
viento y la respuesta correspondiente.
5.3 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN SU IMPORTANCIA.
La seguridad necesaria para que una construcción dada cumpla adecuadamente
con las funciones para las que se haya destinado puede establecerse a partir de
66
niveles de importancia o de seguridad. En la práctica, dichos niveles se asocian con
velocidades de viento que tengan una probabilidad de ser excedidas, y a partir
de ésta se evalúa la magnitud de las solicitaciones de diseño debidas al viento.
Atendiendo al grado de seguridad aconsejable para una estructura, las
construcciones se clasifican según los grupos que se indican a continuación.
Grupo A. Estructuras para las que se recomienda un grado de seguridad elevado.
Pertenecen a este grupo aquéllas que en caso de fallar causarían la pérdida de un
número importante de vidas, o perjuicios económicos o culturales
excepcionalmente altos; así mismo, las construcciones y depósitos cuya falla
implique un peligro significativo por almacenar o contener sustancias tóxicas o
inflamables, así como aquellas cuyo funcionamiento es imprescindible y debe
continuar después de la ocurrencia de vientos fuertes tales como los provocados
por huracanes. Quedan excluidos los depósitos y las estructuras enterradas.
Ejemplos de este grupo son las construcciones cuya falla impida la operación de
plantas termoeléctricas, hidroeléctricas y nucleares; entre éstas, pueden
mencionarse las chimeneas, las subestaciones eléctricas y las torres y postes que
formen parte de líneas de transmisión principal. Dentro de esta clasificación también se
cuentan las centrales telefónicas e inmuebles de telecomunicaciones principales,
puentes, estaciones terminales de transporte, estaciones de bomberos, de rescate
y de policía, hospitales e inmuebles médicos con áreas de urgencias, centro de
operación en situaciones de desastre, escuelas, estadios, templos y museos. Del
mismo modo pueden considerarse los locales, las cubiertas y los paraguas que
protejan equipo especialmente costoso, y las áreas de reunión que puedan alojar a
más de doscientas personas, tales como salas de espectáculos, auditorios y
centros de convenciones.
Grupo B. Estructuras para las que se recomienda un grado de seguridad
moderado. Se encuentran dentro de este grupo aquéllas que en caso de fallar,
representan un bajo riesgo de vidas humanas y que ocasionarían daños
materiales de magnitud intermedia. Este el caso de las plantas industriales,
bodegas ordinarias, gasolineras (excluyendo los depósitos exteriores de combustible
pertenecientes al Grupo A), comercios, restaurantes, casas para habitación, viviendas,
edificios de apartamentos u oficinas, hoteles, bardas cuya altura sea mayor de 2.5
metros y todas las construcciones cuya falla por viento pueda poner el peligro a otras
de esta clasificación o de la anterior. Se incluyen también salas de reunión y
espectáculos y estructuras de depósitos, urbanas o industriales, no incluidas en el
Grupo A.
67
De acuerdo con su estabilidad ante los efectos de ráfagas del viento y a su
correspondiente respuesta dinámica, las construcciones se clasifican en cuatro
tipos. Con base a esta clasificación podrá seleccionarse el método para obtener las
cargas de diseño por viento sobre las estructuras y la determinación de efectos
dinámicos suplementarios si es el caso. Se recomienda principalmente dos
procedimientos para definir las cargas de diseño (uno estático y otro dinámico),
TIPO 1. Estructuras poco sensibles a las ráfagas y a los efectos dinámicos del
viento. Abarca todas aquéllas en las que la relación de aspecto . (Definida
como el cociente entre la altura y la menor dimensión en planta), es menor o igual a
cinco y cuyo periodo natural de vibración es menor o igual a un segundo.
Pertenecen a este tipo, por ejemplo, la mayoría de edificios para habitación u
oficinas, bodegas, naves industriales, teatros y auditorios, puentes cortos y
viaductos. En el caso de puentes, constituidos por losas, trabes, armaduras simples
o continuas o arcos, la relación de aspecto se calculará como el cociente entre el
claro mayor y la menor dimensión perpendicular a éste. También incluye las
construcciones cerradas con sistemas de cubierta suficientemente rígidos, es decir,
capaces de resistir las cargas debidas al viento sin que varíe esencialmente su
geometría. Se excluyen las cubiertas flexibles, como las de tipo colgante, a menos
que por la adopción de una geometría adecuada, proporcionada por la aplicación de
preesfuerzo u otra medida conveniente, logre limitarse la respuesta estructural
dinámica.
TIPO 2. Estructuras que por su alta relación de aspecto o las dimensiones reducidas
de su sección transversal son especialmente sensibles a las ráfagas de corta duración
(entre 1 y 5 segundos) y cuyos periodos naturales largos favorecen la ocurrencia de
oscilaciones importantes en la dirección del viento. Dentro de este tipo se cuentan
los edificios con relación de aspecto, , mayor que cinco o con periodo fundamental
mayor que un segundo.
Se incluyen también, por ejemplo, las torres de celosía atirantadas y las auto
soportadas para líneas de transmisión, chimeneas, tanques elevados, antenas, bardas,
parapetos, anuncios y, en general, las construcciones que presentan una
dimensión muy corta paralela a la dirección del viento. Se excluyen aquéllas
que explícitamente se mencionan como pertenecientes a los Tipos 3 y 4.
68
TIPO 3. Estas estructuras, además de reunir todas las características de las del Tipo 2,
presentan oscilaciones importantes transversales al flujo del viento provocadas por
la aparición periódica de vórtices o remolinos con ejes paralelos a la dirección del
viento. En este tipo se incluyen las construcciones y elementos
aproximadamente cilíndricos o prismáticos esbeltos, tales como chimeneas, tuberías
exteriores o elevadas, arbotantes para iluminación, postes de distribución y cables de
líneas de transmisión.
TIPO 4. Estructuras que por su forma o por el largo de los periodos de vibración
(periodos naturales mayores que un segundo). Presentan problemas
aerodinámicos especiales. Entre ellas se hallan las formas aerodinámicamente
inestables como son los plantas generadoras de energía y que, en caso de fallar, no
paralizarían el funcionamiento de la planta. A sí mismo, se consideran en este
grupo las subestaciones eléctricas y las líneas y postes de transmisión de menor
importancia que las del Grupo A.
Grupo C. Estructuras para las que se recomienda un bajo grado de
seguridad. Son aquellas cuya falla no implica graves consecuencias, ni puede causar
dalos a construcciones de los Grupos A y B. Abarca, por ejemplo, no solo bodegas
provisionales, cimbras, carteles, muros aislados y bardas con altura no mayor que
2.5 metros, si no también recubrimientos, tales como cancelerías y elementos
estructurales que formen parte de las fachadas de las construcciones, siempre y
cuando no representen un peligro que pueda causar daños corporales o materiales
importantes en caso de desprendimiento. Si por el contrario, las consecuencias de su
desprendimiento son graves, dichos recubrimientos se analizarán utilizando las
presiones de diseño de la estructura principal.
Cables de las líneas de transmisión - cuya sección transversal se ve modificada de
manera desfavorable en zonas sometidas a heladas- las tuberías colgantes y las
antenas parabólicas. También pertenecen a esta clasificación las cubiertas colgantes
que no puedan incluirse en tipo 1 y las estructuras flexibles con periodos de vibración
próximos entre sí.
69
5.4 Efectos del viento que deben considerarse.
A continuación se mencionan los efectos que según el tipo de construcción de
deberán tomar en cuenta en el diseño de estructuras sometidas a la acción del viento.
I. Empujes medios.
Son los causados por presiones y succiones del flujo del viento prácticamente
laminar, tanto exteriores como interiores y cuyos efectos son globales (para el diseño
de la estructura en conjunto) y locales (para el diseño de un elemento
estructural o de recubrimiento en particular). Se considera que estos empujes
actúan en forma estática ya que se variación en el tiempo es despreciable.
II. Empujes dinámicos en la dirección del viento.
Consisten en fuerzas dinámicas paralelas al flujo principal causadas por la
turbulencia del viento y cuya fluctuación en el tiempo influye de manera importante en
la respuesta estructural.
III. Vibraciones transversales al flujo.
La presencia de cuerpos en particular cilíndricos o prismáticos, dentro del flujo del
viento, genera entre otros efectos de desprendimientos de vórtices alternantes que a
su vez provocan sobre los mismos cuerpos, fuerzas y vibraciones transversales a la
dirección del flujo.
IV. Inestabilidad aerodinámica.
70
Se define como la amplificación dinámica de la respuesta estructural causada por los
efectos combinados de la geometría de la construcción y los distintos ángulos de
incidencia del viento.
En el diseño de las estructuras pertenecientes al Tipo 1, bastará con tener en cuenta
los empujes medios (estáticos) calculados de acuerdo con lo establecido en el
tema de presiones y fuerzas debidas a la acción del viento visto más adelante y
empleando las velocidades de diseño que se especifican posteriormente.
Para diseñar alas construcciones del Tipo 2 se considerarán los efectos dinámicos
causados por la turbulencia del viento. Estos se tomarán en cuenta mediante la
aplicación del factor de respuesta dinámica debida a ráfagas.
Las estructuras del Tipo 3 deberán diseñarse de acuerdo con los criterios
establecidos para las del Tipo 2, pero además deberá revisarse su capacidad para
resistir los empujes dinámicos transversales generados por los vórtices alternantes.
Finalmente, para las del Tipo 4 los efectos del viento se determinarán por medio de
estudios representativos analíticos o experimentales; pero en ningún caso, los
efectos resultantes podrán ser menores que los especificados para las construcciones
del Tipo 3.
En las construcciones de forma geométrica poco usual y de características que las
hagan particularmente sensibles a los efectos del viento, en el cálculo de dichos
efectos se basará en los resultados de los ensayes de prototipo o de modelos en
túnel de viento. Asimismo, podrán tomarse como base los resultados existentes de
ensayes en modelos de estructuras con características semejantes.
Los procedimientos de los ensayes en túnel de viento y la interpretación de los
resultados seguirán las técnicas actuales ya reconocidas, tales como los de la
referencia del tema Determinación de las velocidades de diseño, VD , las cuales
deben ser aprobadas por expertos en la materia y por las autoridades
correspondientes.
71
5.5 PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS ACCIONES POR VIENTO.
A fin de evaluar las fuerzas provocadas por la acción del viento, se proponen
principalmente dos procedimientos. El primero, referido como análisis estático, se
empleará cuando se trate de estructuras o elementos estructurales suficientemente
rígidos, que son sean sensibles a los efectos dinámicos del viento. En caso
contrario, deberá utilizarse el segundo procedimientos llamado análisis dinámico,
en el cual se afirma que una construcción o elemento estructural es sensible a
los efectos dinámicos del viento cuando no se presentan fuerzas importantes
provenientes de la interacción dinámica entre el viento y la estructura.
Un tercer procedimiento para evaluar la acción del viento sobre las construcciones
consiste en llevar a cabo pruebas experimentales de modelos en túnel del viento.
Estas pruebas deben de realizar cuando se desee conocer la respuesta dinámica
de estructuras cuya geometría sea marcadamente diferente de las formas comunes
para las cuales existe información disponible en los reglamentos o en la literatura.
También se aconseja cuando es necesario calcular coeficientes de presión para
diseñar recubrimientos de estructuras que tengan una forma poco común.
En figura siguiente se muestra un diagrama de flujo de los pasos a seguir para
evaluar las cargas ocasionadas por la acción del viento y que deberán considerarse
en el diseño de estructuras resistentes a dicha acción.
TABLA 1. CATEGORIA DEL TERRENO SEGÚN SU RUGOSIDAD
CATEGORIA DESCRIPCION EJEMPLO LIMITACIONES
1 Terreno abierto, prácticamente plano y sin obstrucciones
Franjas costeras planas, zonas de pantanos, campos aéreos, pastizales y tierras de cultivo sin setos o bardas alrededor. Superficies nevadas planas.
La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser de 2000 m o 10 veces la altura de la construcción por diseñar, la que sea mayor.
2 Terreno plano u ondulado con pocas obstrucciones
Campos de cultivo o granjas con pocas obstrucciones tales como setos o bardas alrededor, árboles y construcciones dispersas.
Las obstrucciones tienen alturas de 1.5 a 10 m, en una longitud mínima de 1500 m.
3 Terreno cubierto por numerosas obstrucciones estrechamente
Áreas urbanas, suburbanas y de bosques, o cualquier terreno con
Las obstrucciones presentan alturas de 3 a 5 m. la longitud mínima de este tipo de
72
espaciadas numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas. El tamaño de
terreno en la dirección
4 Terreno cubierto por numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas
Centros de grandes ciudades y complejos industriales bien desarrollados.
Por lo menos el 50% de los edificios tienen una altura mayor que 20m. Las obstrucciones miden de 10 a 30m de altura. La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser la mayor entre 400 a 10 veces la altura de la construcción.
TABLA 2. CLASE DE ESTRUCTURA SEGÚN SU TAMAÑO
Clase Descripción
A Todo elemento de recubrimiento de fachadas, de ventanerías y de
techumbre y
sus respectivos sujetadores. Todo elemento estructural aislado,
expuesto
directamente a la acción del viento. A sí mismo, todas las construcciones
cuya
mayor dimensión, ya sea horizontal o vertical, sea menor que 20 metros.
B Vertical, varíe entre 20 y 50 metros.
C Todas las construcciones cuya mayor dimensión, ya sea horizontal o
vertical,
sea menor que 50 metros.
En los mapas de isotacas con diferentes periodos de retorno, dicha velocidad se
refiere a condiciones homogéneas que corresponden a una altura de 10 metros
sobre la superficie del suelo en terreno plano (Categoría 2 según la tabla 1); es decir,
no considera las características de rugosidad locales del terreno ni la topografía
especifica del sitio. Asimismo, dicha velocidad se asocia con ráfagas de 3
segundos y toma en cuenta la posibilidad de que se presenten vientos debidos a
huracanes en las zonas costeras.
La figura siguiente muestra el mapa isotaca regional correspondiente al periodo de
recurrencia de 50 años que utilizaremos en nuestro análisis, También se muestra
una tabla con las principales ciudades del país y sus correspondientes velocidades
regionales para diferentes períodos de retorno.
La importancia de las estructuras dictamina los periodos de recurrencia que deberán
considerarse para el diseño por viento; de esta manera, los Grupos A, B, y C se
asocian con los periodos de retorno de 200, 50 y 10 años, respectivamente. El
sitio de desplante se localizará en el mapa con el periodo de recurrencia que
73
corresponde al grupo al que pertenece la estructura a fin de obtener la velocidad
regional.
74
75
Tabla con las principales ciudades del país y sus correspondientes velocidades
regionales para diferentes períodos de retorno.
VELOCIDADES REGIONALES DE LAS CIUDADES MÁS IMPORTANTES
Ciudad
Núm.
Obs.
Velocidades (km/h)
V10 V50 V100 V200 V2000
Acapulco, Gro. 12002 129 162 172 181 209
Aguascalientes, Ags. 1001 118 141 151 160 189
Campeche, Camp. 4003 98 132 146 159 195
Cd. Guzmán, Jal. 14030 101 120 126 132 155
*Cd. Juárez, Chih. 116 144 152 158 171
Cd. Obregón, Son. 26020 147 169 177 186 211
Cd. Victoria, Tamps. 28165 135 170 184 197 235
Coatzacoalcos, Ver. 30027 117 130 137 145 180
Colima, Col. 6006 105 128 138 147 174
Colotlán, Jal. 14032 131 148 155 161 178
Comitán, Chis. 7025 72 99 112 124 160
Cozumel, Q. Roo. 23005 124 158 173 185 213
*Cuernavaca, Mor. 17726 93 108 114 120 139
Culiacán, Sin. 25014 94 118 128 140 165
Chapingo, Edo. Méx. 15021 91 110 118 126 150
Chetumal, Q. Roo. 23006 119 150 161 180 220
Chihuahua, Chih. 8040 122 136 142 147 165
Chilpancingo, Gro. 12033 109 120 127 131 144
Durango, Dgo. 10017 106 117 122 126 140
Ensenada, B.C. 2025 100 148 170 190 247
Guadalajara, Jal. 14065 146 164 170 176 192
Guanajuato, Gto. 11024 127 140 144 148 158
*Guaymas, Son. 26039 130 160 174 190 237
Hermosillo, Son. 26040 122 151 164 179 228
Jalapa, Ver. 30075 118 137 145 152 180
La Paz, B.C. 3026 135 171 182 200 227
Lagos de Móreno, Jal. 14083 118 130 135 141 157
*León, Gto. 11025 127 140 144 148 157
Manzanillo, Col. 6018 110 158 177 195 240
Mazatlán, Sin. 25062 145 213 225 240 277
76
VELOCIDADES REGIONALES DE LAS CIUDADES MÁS IMPORTANTES
Ciudad
Núm
Obs.
Velocidades (km/h)
V10 V50 V100 V200 V2000
Mérida, yuc. 31019 122 156 174 186 214
*Mexicali, B.C. 100 149 170 190 240
México D.F. 9048 98 115 120 129 150
*Monclova, Coah. 5019 123 145 151 159 184
Monterrey, N.L. 19052 123 143 151 158 182
Morelia, Mich. 16080 79 92 97 102 114
Nvo. Casas Gdes, Chih. 8107 117 134 141 148 169
Oaxaca, Oax. 20078 104 114 120 122 140
Orizaba, Ver. 30120 126 153 163 172 198
Pachuca, Hgo. 13022 117 128 133 137 148
*Parral de Hgo., Chih. 121 141 149 157 181
Piedras Negras, Coah. 5025 137 155 161 168 188
Progreso, Yuc. 31023 103 163 181 198 240
Puebla, Pue. 21120 93 106 112 117 132
Puerto Cortés, B.C. 3046 129 155 164 172 196
*Puerto Vallarta, Jal. 14116 108 146 159 171 203
Querétaro, Qro. 22013 103 118 124 131 147
Río Verde, SLP. 24062 84 111 122 130 156
Salina Cruz, Oax. 20100 109 126 135 146 182
Saltillo, Coah. 5034 111 124 133 142 165
S.C. de las Casas, Chis. 7144 75 92 100 105 126
S. Luis Potosí, SLP. 24070 126 141 147 153 169
S. la Marina, Tamps. 28092 130 167 185 204 252
Tampico, Tamps 28110 129 180 177 193 238
Tamuín, SLP. 24140 121 138 145 155 172
Tapachula, Chis. 7164 90 111 121 132 167
Tepic, Nay 18039 84 102 108 115 134
Tlaxcala Tlax. 29031 87 102 108 113 131
Toluca, Edo / Méx. 15126 81 93 97 102 115
Torreón, Coah. 5040 136 168 180 193 229
Tulancingo, Hgo. 13041 92 106 110 116 130
Tuxpan, Ver. 30190 122 151 161 172 204 *Tuxtla Gutz., Chis. 7165 90 106 110 120 141
Valladolid, Yuc. 31036 100 163 180 198 240
Veracruz,. Ver 30192 150 175 185 194 222
*Villahermosa, Tab. 27083 114 127 132 138 151
Zacatecas, Zac. 32031 110 122 127 131 143 NOTA:
77
(*) En estas ciudades no existen o son escasos, los registros de velocidades de viento,
por lo que éstas se obtuvieron de los mapas de isotacas.
5.6 ANÁLISIS ESTÁTICO.
Los empujes medios que se evalúan con este procedimiento son aplicables al
diseño de las estructuras pertenecientes al Tipo 1.
Limitaciones.
El método estático sólo puede utilizarse para diseñar estructuras o elementos
estructurales poco sensibles a la acción turbulenta del viento, Esta condición se
satisface cuando: dimensión mínima de la base, y
b) el período fundamental de la estructura es menor o igual que un segundo.
Para el caso de construcciones cerradas, techos aislados y toldos y cubiertas
adyacentes, no es necesario calcular su período fundamental cuando se cumplan
las siguientes condiciones.
a) la altura total de la construcción, H. es menor o igual que 15 metros,
b) La planta de la estructura es rectangular o formada por una combinación de
rectángulos.
c) La relación H D es menor que cuatro para construcciones cerradas y menor que
uno para techos aislados; para toldos y cubiertas adyacentes en voladizo, el claro no
debe ser mayor que 5m.
d) Para construcciones cerradas y techos aislados, la pendiente de sus techos-
inclinados o a dos aguas – no debe exceder los 20°, y en techos de claros múltiples
deberá ser menor que 60°; para toldos y cubiertas adyacentes, la pendiente no será
mayor que 5°
Aplicando al proyecto en estudio tenemos:
En el inciso a) H =10.10 m. D = 22.75 =10.10 / 22.75 = 0.44 < 5
No es necesario calcular el periodo fundamental de la estructura si se cumplen los
siguientes puntos.
78
a) H = 10.10 m. < 15.0 m.
b) La planta de la estructura es rectangular.
c) H =10.10 m. D = 22.75 =10.10 / 22.75 = 0.44 < 4
d) Pendiente 16° < 20°7
En conclusión utilizaremos el método de Análisis Estático ya que la nave
industrial cumple con todos los requisitos solicitados
Presiones y fuerzas debidas a la acción del viento. V.8.2.1 Empujes medios.
Alcance.
Los empujes medios (estáticos) evaluados de acuerdo con lo especificado se
aplican en el diseño de estructuras pertenecientes al Tipo 1. Inciso V.4. Asimismo, aquí
se presentan las recomendaciones para calcular las presiones de diseño de
cancelerías, elementos de fachada y recubrimientos de las construcciones Tipos 1,2 y
3.
Fuerzas sobre construcciones cerradas.
Para fines prácticos, una estructura cerrada es la que se compone de muros y
techos a una o dos aguas, dispuestos de tal manera que forman una
construcción prismática; dichos techos y muros no necesariamente son
impermeables, pueden tener aberturas, tales como ventanas o puertas, por donde el
flujo del viento puede penetrar y generar presiones interiores. Así mismo, una
estructura de planta rectangular en la que uno de sus lados está completamente
abierto se considera como cerrada con una abertura dominante en ese lado.
Cuando se tenga una construcción de tres muros o menos, éstos se diseñarán
como elementos aislados.
Las fuerzas que se ejercen sobre los elementos de estructuras cerradas, muros y
techos, serán las resultantes de las presiones actuantes sobre sus superficies
exteriores e interiores y deberán calcularse de acuerdo con la siguiente ecuación:
En donde:
79
Fe Es la fuerza de viento que actúan perpendicularmente a la superficie de un
elemento de la construcción, en Kg.
PZ La presión de diseño a la altura Z, en Kg/m².
Pe La presión exterior, en kg/m² Vista más adelante.
Pi La presión interior, en kg/m² Vista más adelante.
Pn La presión neta, en kg/m²
Az El área de la estructura, o a partir de ella, en m², a la altura Z, sobre la que
actúa la presión de diseño, Pz . Ella corresponderá:
a) A una parte de alguna de las superficies de la construcción; la presión de diseño
que corresponda a una velocidad y dirección del viento dada, se verá afectada por
el coeficiente de presión, vez depende de la forma de la estructura
b) A la superficie de la construcción o de un elemento estructural, proyectada
sobre un plano normal al flujo del viento; la presión de diseño se verá afectada por
el coeficiente de arrastre, forma de la construcción o del elementos estructura a las
superficies que se indiquen en los incisos correspondientes.
Las fuerzas y los momentos de volteo totales que actúan sobre una construcción
deberán obtenerse sumando los efectos de las presiones exteriores e interiores, o de
las presiones netas, que se presentan sobre sus superficies.
Presiones Exteriores.
La presión exterior, Pe , sobre una de las superficies de construcción cerrada se
calculará utilizando la siguiente ecuación:
Pe CPe K A K L q z
80
En dónde:
Pe Es la presión exterior, en kg/m²
El coeficiente de presión, adimensional,
El factor de reducción de presión por tamaño de área, adimensional,
El factor de presión local, adimensional, y
La presión dinámica de base del viento, en kg/m²
Los valores del coeficiente de presión exterior que se presenta en este tema se
refieren a las construcciones con planta rectangular cerrada. Si se adoptan otros
valores.
a) Permeabilidad. Si en una estructura existen huecos o hendiduras que permitan
que el flujo de viento penetré a su interior, entonces se presentan presiones
interiores que pueden alcanzar magnitudes importantes o actuar simultáneamente
con las exteriores provocando condiciones desfavorables, por lo que deberán
tomarse en cuenta, la permeabilidad de una superficie se define como el cociente
entre el área de las hendiduras y huecos, resultado de las tolerancias normales de
la construcción, y el área total de esa superficie; dado que en la práctica es difícil
evaluarla, en la tabla 13a se incluyen los diferentes casos que, en forma
cualitativa, toman en cuenta la permeabilidad de las superficies expuestas.
b) Aberturas. Se consideran como tales las puertas y ventanas abiertas, ventilas
para aire acondicionado y sistemas de ventilación, y aberturas en los recubrimientos,
entre otras.75
c) Aberturas dominantes. Se presentan sobre una superficie donde la suma de sus
áreas excede la suma de las áreas de las aberturas de cualquiera de las otras
superficies; una abertura dominante no necesariamente es grande.
En regiones propensas a ciclones, las ventanas deberán considerarse como
aberturas, a menos de que sean capaces de resistir el impacto de una pieza de
madera de 4 kg y 100 mm x 50 mm de sección transversal, que la golpee a una
velocidad de 15 m/s. Este requisito puede ser diferente en el caso de las
estructuras especiales, en cuyo caso deberá justificarse el empleo de otros valores.
81
UNIDAD VI
CONSIDERACIONES GENERALES
6.1 ANTECEDENTES
Actualmente los profesionistas dedicados a la fabricación de Naves Industriales,
Ingenieros Mecánicos, nos enfrentamos con varias consideraciones previas al inicio de
un proyecto, por lo tanto se debe de hacer un análisis detallado de dichas
consideraciones para enfocar la solución a la optimización de los recursos.
6.2 CONSIDERACIONES PREDIALES.
Para conocer las características del predio lo primero que se hará es una visita
al sitio en estudio, para lo cual se deberá contar con un documento que
compruebe la propiedad del terreno, ya sea la escrituración o algún otro documento,
en el que se indique su localización, dimensiones, superficie y orientación. Con la
información anterior junto con las principales vías de acceso y el estado actual del
predio se realiza un plano de la zona donde se encuentra el terreno.
Del estado actual del predio se deben tomar en cuenta distintos puntos como son: la
vegetación que presenta el terreno, la pendientes que encontramos en él, hecho a
simple vista y con algo de experiencia se puede obtener la idea de la cantidad del
movimiento de tierras, ubicar los muros de contención que se utilizarán ó una
simple excavación superficial, la profundidad de despalme del terreno, etcétera.
Se deben verificar también los servicios municipales, redes de agua potable y
alcantarillado, diámetros y profundidad del colector, redes distribuidoras de
energía eléctrica, telefónica así como las de gas.
82
Especial interés merece la información respecto al drenaje, ya que el diseño del
albañal influirá en los niveles de piso terminado, pendientes, localización de
muebles sanitarios y de descargas.
6.3 COLINDANCIAS.
Necesitamos la investigación y el estudio de las construcciones existentes (si las
hay) alrededor del predio para determinar el tipo de terreno sobre el cual están
asentadas, conocer el estado en el que se han mantenido después de construidas y el
uso o fin de estos edificios.
Se necesita también observar el estado de las construcciones cercanas para
conocer posibles fallas en el terreno, defectos en el sistema o fallas en la construcción
como pueden ser desplomes que afecten nuestra construcción.
Para un buen desarrollo del proyecto, es imprescindible tomar las cotas necesarias
para localizar entradas, acometidas, medidas de banquetas, distancias de postes,
árboles, alcantarillas, medida de frente o frentes de lote, niveles adecuados de
banqueta, arrollo y del predio pues debemos considerar que las avenidas son también
colindancias de nuestro terreno.
6.4 TOPOGRAFÍA.
La importancia de realzar un levantamiento topográfico, para conocer las
características generales del proyecto (dimensiones ángulos, pendientes,
orientación, localización, etc.) Siempre es importante que el proyecto que se quiera
desarrollar sea lo más apegado posible a la topografía del terreno y con eso evitar
movimientos de tierra de gran volumen, puesto que resulta muy costoso.
6.5 PROYECTO ARQUITECTÓNICO.
83
Es la distribución de espacios del proyecto a edificar, se recomienda que en el
proyecto arquitectónico participen un Arquitecto como un Ingeniero, con el objetivo
de facilitar el diseño estructural y no tener que cambiar el proyecto una y otra vez, para
que la construcción cumpla con todas la necesidades estructurales.
Después de haber aprobado el anteproyecto, se procede a la elaboración de
los planos constructivos a escala, siendo estos los definitivos que componen el
proyecto arquitectónico, dichos planos deberán resolverse de tal manera que sean
claros y que estén bien acotados para el cálculo estructural, normalmente los planos
que se desarrollan son: Plantas de localización, plantas de conjunto, plantas de
distribución, planos de fachadas, planos de cortes arquitectónicos, planos de cortes
por fachada, plantas de azotea, planos de acabados, planos de cancelería y
ventaneria, planos de herrería, planos de carpintería, planos de obras exteriores.
6.6 MECÁNICA DE SUELOS.
El estudio de mecánica de suelos, se hace indispensable para el desarrollo del diseño
estructural, pues el terreno deberá ser capaz de soportar todo el peso de la
construcción.
Este estudio nos da la información de las características estratigráficas del subsuelo,
así como también datos relevantes para el desarrollo del proyecto estructural como
son: recomendaciones de cimentación, capacidad de carga del terreno, la posición
del nivel freático, etc.
De acuerdo con la obra que se pretenda construir, puede ser necesario conocer las
características del subsuelo y la investigación geológica que se requiera, sin
olvidar que algunos suelos pueden presentar problemas por encontrar una estructura
engañosa, es decir, que pueden presentar fisuras e incluso cavernas dentro del
subsuelo.
6.7 PROYECTO ESTRUCTURAL.
Al terminar un anteproyecto arquitectónico, la siguiente etapa es la del análisis y
diseño estructural, a la que llamaremos tan solo “cálculo” que es el tema central de
esta tesis.
84
Para conseguir que la optimización de la construcción, el ingeniero estructurista
debe cuidar en el proyecto arquitectónico todos los detalles estructurales como
son: ubicación de columnas, trabes y/o vigas, altura de entrepisos, etc.
Dentro de esta etapa del proyecto se tienen que tomar en cuenta todas las
recomendaciones del estudio de mecánica de suelos del terreno en donde se
construirá el inmueble.
Los planos que componen el proyecto estructural son:
1. – Planos de la subestructura (cimentación).
2. – Planos de la superestructura.
Planos de subestructura. Estos planos se componen de los elementos
estructurales que se localizan debajo del nivel de piso terminado como podrían ser:
pilotes, pilas, cajones de cimentación, losas de cimentación, zapatas corridas o
aisladas, contra trabes, cimentación de mampostería, etcétera.
Planos de la superestructura. Estos se componen de los elementos
estructurales que se localizan sobre el nivel de piso terminado como son:
columnas, trabes y/o vigas, muros, etcétera. En estos planos se indica la
estructuración, conexiones, especificaciones, armados, anclajes, etc.
6.8 REGLAMENTOS DE DISEÑO.
No hay que olvidar que el proyecto se debe de apegar a un reglamento de
construcción, por lo tanto es indispensable el conocer los reglamentos de construcción
de la localidad o reglamentos internacionales.
85
Los reglamentos, en general, son elaborados por grupos de especialistas, los que a
su vez son revisados por personas o instituciones interesadas; por lo tanto, un
reglamento refleja el punto de vista de sus redactores, así como los conocimientos
que se tengan en el momento de su elaboración.
Existen en general dos tipos de reglamentos en lo relativo al diseño estructural:
a) Reglamentos funcionales. Éstos son los que fijan los requisitos de
seguridad y funcionamiento; el proyectista tiene la libertad para
cumplirlos de acuerdo con su criterio y su experiencia.
b) Reglamentos prescriptivos. Éstos prescriben en todo detalle
los procedimientos que deben seguirse para lograr el grado de seguridad
deseado.
En su gran mayoría, los reglamentos de diseño en vigencia son prescriptivos: Los
reglamentos, dependiendo de su alcance, pueden abarcar diversos aspectos de la
ingeniería estructural, ya sean de acuerdo con el tipo de estructura o de material.
Ejemplo de estos reglamentos son los siguientes:
Código ACI. American Concrete Institute.
Código AISC. American Institute of Steel Construction.
Código AASHTO. American Association of state Highway and Transportation
Officials.
Código UBC. Uniform Building Code (Proyecto de edificios)
Código CEB. Comité Européen Du Betón (concreto)
86
Existen, por otro lado, reglamentos que rigen una gran variedad de aspectos
industriales y, entre ellos, los estructurales, ejemplo de éstos son las normas alemanas
DIN que regulan una gran cantidad de procesos industriales.
En México, existen varios códigos que reglamentan diversos aspectos del diseño
estructural; así tenemos el Manual de obras civiles editado por la Comisión
Federal de Electricidad y la edición en español del código ACI. Sin embrago, el
reglamento específico para las construcciones urbanas más frecuentemente
empleado es el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF),
que además sirve de modelo para reglamentaciones en lugares del interior de la
República Mexicana.
El RCDF vigente consta de un cuerpo principal que en su Título V1 se refiere a
aspectos específicos del diseño estructural. Para abarcar los diversos
materiales estructurales fueron emitidas las Normas Técnicas Complementarias (NTC)
Estas normas se dividen en:
NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto.
NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas.
NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras de Madera.
NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras de
Mampostería.
NTC. Para Diseño y Construcción de Cimentaciones.
NTC. Para el Diseño por Viento.
NTC. Para Diseño por Sismo.
NTC. Para Previsiones Contra Incendio.
qu
e
El RCDF En lo general tiene equivalencia con reglamentos de otros países lo que
permite considerar que el criterio de diseño visto en este texto puede ser de
consulta en otras partes, por ejemplo, en el caso del concreto tenemos el ACI; en
acero, el AISC, etcétera.
87
UNIDAD VII
CONSIDERACIONES DEL PROYECTO
7.1 LEVANTAMIENTO DEL TERRENO
Foto 1
88
Foto 2
Foto 3
89
Foto 4
Foto 5
90
Foto 6
Foto 7
91
7.2 INFORME DE MECÁNICA DE SUELOS
1. - El predio en estudio presenta una topografía variada ya que una parte se
encuentra abrupta con desniveles entre la cota mayor y cota menor de .5 m, otra
zona es sensiblemente plana y finalmente otra zona que tiene desniveles entre
las dos zonas anteriores, de tal forma que podemos mencionar que el predio tiene
actualmente 3 zonas.
La primera de ellas que llamaremos zona A es una plataforma que tiene
aproximadamente la cota .5 m, en promedio, y es sensiblemente horizontal.
La zona B presenta un desnivel con respecto a la zona 1, de .5 m. y se aprecia que
fue rellenada en el pasado, por lo que tiene materiales heterogéneos y de
desperdicio de construcciones.
La zona C presenta poco desnivel con respecto a la segunda plataforma (.30m) y
con respecto a la primera zona A, el desnivel es de .80 m.
2. - El terreno natural que se encuentra bajo los escombros encontrados en el sitio,
tiene desde el punto de vista geológico depósitos de aluvión, es decir materiales que
fueron formados durante inundaciones ocurridas en el pasado.
3. - Los trabajos de exploración geotécnica consistieron en la realización de 4 Pozos a
cielo abierto cuya profundidad máxima fue de 3.0 m.
De la exploración geotécnica realizada en el sitio, se deduce la siguiente secuencia
de estratos obtenida en cada uno de los pozos realizados.
92
Pozo 1. De 0.0 a 0.4 m, se tiene una capa de materia orgánica de color café oscuro y
rellenos de desperdicio en estado suelto.
De 0.40 a 0.9 m, está constituido por una arena fina limosa, de color
café amarillento y de compacidad suelta a media.
De 0.90 a 2.5m, este estrato está formado por arenas finas de compacidad media.
Pozo 2. De 0.0 a 0.30 m, es una capa constituida por rellenos de arena fina café
con materia orgánica y raíces.
De 0.30 a 1.0 m, este estrato está formado por una arena fina limosa de color café
amarillento de compacidad suelta a media.
De 1.0 a 1.5 m, está constituido por arenas finas de compacidad media.
De 1.5 a 2.0 m, capa formada por arenas finas con compacidad suelta a media.
De 0.0 a 3.0 m, es una capa constituida por rellenos de desperdicio de
construcciones mezclada con arena fina café claro con materia orgánica y raíces.
Pozo 3. De 0.0a 3.0 m, es una capa constituida por rellenos de desperdicio de
construcciones mezclada con arena fina café claro con materia orgánica y raíces.
Pozo 4. De 0.0 a 0.6m, es un estrato formado por rellenos de desperdicio de
construcciones mezclada con arena fina café claro.
De 0.6 a 1.0 m es una capa constituida de arenas finas limosas en estado suelto.
93
En conclusión, y tomando como base la experiencia del geólogo que realizo la
exploración geotécnica y a la visita de campo en el sitio, se pueden dar las
siguientes recomendaciones para formar la cimentación de la Nave Industrial.
1. - La zona más conflictiva desde el punto de vista de deformaciones del subsuelo es
la zona B, ya que en esta zona se rellenó con materiales de desecho y no se
compactó en un espesor de al menos 3.0 m. Por lo que en esta zona se deberán
retirar y sustituir por materiales importados de banco o bien aprovechando los
materiales que se puedan cortar de la zona alta C, si cumplen con los requisitos
señalados en el punto 4 de este inciso. En ningún momento se podrán utilizar
materiales blandos, rellenos de basura o de desperdicio de construcciones
2. - La zona A tiene poco espesor de rellenos y de materia orgánica, por lo que se
deberán de retirar éstos en un espesor de 0.3 m, para que después se eleve esta zona
hasta el nivel de desplante de la cimentación con materiales de mejoramiento ya sea
del sitio libres de materia orgánica y de desperdicio de construcciones o de
materiales importados de un banco.
3. - La zona C tiene también poco relleno (0.6 m) según el pozo a cielo abierto 1. Por
lo que esta zona por ser la parte alta del predio, se podrá utilizar como material de corte
para rellenar la zona A o para sustituir materiales de la zona B, previo al retiro del
lugar de los materiales de relleno de las construcciones.
4. - Todos los rellenos a utilizar para formar la plataforma horizontal que recibirá a la
losa de cimentación deberán compactarse al 95% de su peso volumétrico seco
máximo, según la prueba AASHTO variante “A” en capas de 20 cm. de espesor, con
un rodillo liso vibratorio. Durante la colocación de los materiales, se deberá llevar un
estricto control de ellos, por lo que se requiere que se cuente en obra con un
laboratorio de mecánica de suelos que certifique que los materiales del sitio son
94
idóneos para su reutilización. En dado caso de que no sean materiales idóneos para
su reutilización, se deberán colocar los materiales importados de banco con la
calidad que se indica enseguida.
Deberán estar libres de desechos orgánicos u otros escombros contaminados, serán
de baja plasticidad y de dimensión máxima de 51 mm (2”), los cuales deberán cumplir
los requisitos de calidad siguientes:
Contracción Lineal máxima será menor de 3%. Límite líquido será menor de
50%.Valor relativo de soporte mínimo será de 10%.
5. - La posición del nivel freático no se interceptó en los sondeos realizados.
6. - La zona en estudio está considerada dentro de la regionalización sísmica de la
República Mexicana, de aquí que sea relevante considerar el efecto de los temblores
en el diseño de la estructura que se construya y de la cimentación. Por lo anterior y
atendiendo a dicha regionalización sísmica, para esta ciudad, el proyecto se deberá
tomar en cuenta el efecto de los temblores con un coeficiente de diseño sísmico de
0.30, de acuerdo al Manual de diseño de Obras Civiles de la Comisión Federal de
Electricidad, Diseño por Sismo.
7.3 ALCANCES.
Los alcances de este trabajo de diseño estructural comprenden con los siguientes
puntos:
1. – Criterios de estructuración de la edificación.
2. – Análisis del problema y determinación de solicitaciones normales, máximas
y accidentales.
3. – Análisis de los elementos mecánicos de la superestructura y cimentación.
95
4. – Diseño y revisión de los elementos estructurales por servicio y por falla.
5. – Elaboración de planos de diseño.
6. – Elaboración de memoria de cálculo.
7.4 DATOS GENERALES DEL PROYECTO.
El objetivo se encuentra ubicado en Av. Oyamel, Ejidos de Ecatepec, Edo. De
México, y se trata de un taller de cancelaría en aluminio. Por tal motivo, se clasifica
como edificio del subgrupo B.
7.5 CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN DEL EDIFICIO.
En dirección transversal, el edificio está estructurado a base de marcos de acero
(Columnas y vigas de acero estructural A-50). En dirección longitudinal, la
resistencia y rigidez está proporcionada por marcos contra venteados también de
acero. La techumbre de lamina en la cubierta, soportado por largueros metálicos
trabajando en una sola dirección.
En el área de mezanine se consideró un sistema de piso a base de losacero
soportado por largueros que trabajan en una sola dirección, los cuales, a su vez, se
apoyan sobre vigas de acero estructural. La cimentación se diseño a base de zapatas
aisladas.
7.6 CRITERIOS DE CÀLCULO DEL EDIFICIO.
Para las estructuras de concreto se utilizó el Reglamento de construcciones del
Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta edición
Febrero 2005
Para las estructuras de acero se utilizó el reglamento del American Institute of steel
construcción, INC. (AISC), por medio del Diseño por Factor
de Carga y Resistencia(LRFD) 1993.Manual de construcción en acero (IMCA)
diseño por esfuerzos permisibles, cuarta edición, 2005. Reglamento de construcciones
del Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta
edición Febrero 2005.
96
Para las consideraciones por viento se utilizó el Manual de diseño de obras civiles
de la Comisión Federal de electricidad (MDOC-CFE) 1993. Reglamento de
construcciones del Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-
NTC) quinta edición Febrero 2005.
Para las consideraciones por sismo se utilizó el Manual de diseño de obras civiles de
la Comisión Federal de electricidad (MDOC-CFE) 1993. Reglamento de construcciones
del Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta
edición Febrero 2005.
Para las carga vivas y de granizo se utilizó. Reglamento de construcciones del
Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta
edición Febrero 2005.
Las resistencias de los materiales usados tanto de acero como de concreto
se muestran en los planos estructurales.
La estructura fue analizada, modelando la cimentación mediante de apoyos
empotrados ideales, las barras son modeladas como piezas de eje recto con
características de isotropía constantes.
La propuesta estructural de la cimentación es en base a los resultados obtenidos de
la Mecánica de Suelos. De acuerdo a los datos proporcionados, la capacidad de carga
es de: 10.0 ton/m². El desplante de la cimentación será de 1.5m.
7.7 RESULTADOS DE CÁLCULO.
Los desplazamientos de la estructura son las siguientes: Separación en
x = 2.2 cm.
Separación en
z = 5.62 cm.
97
TOPOLOGÍA DEL MODELO.
VISTA GENERAL DEL MODELO.
98
BARRAS DEL MODELO EN LA CUBIERTA
NODOS DEL MODELO EN LA CUBIERTA
99
BARRAS DEL MODELO EN MEZANINE
NODOS EN MODELO EN MEZANINE
100
ANALISIS DE CARGAS UNITARIAS
PREDIMENSIONAMIENTO.
Para las consideraciones previas al cálculo estructural, principalmente para el análisis
sísmico estático es necesario realizar un pre dimensionamiento de las secciones
estructurales.
En la edificación contamos con dos áreas principalmente, la mezanine y la de
cubierta, de las cuales vamos a obtener secciones preliminares.
101
Para el análisis de las secciones preliminares en el mezanine vamos a analizar la
trabe del eje 2 entre D y E, y la columna del eje D-2, ya que son los más
desfavorables.
1 2
Para el análisis de las trabes del eje 2 tenemos:
Área tributaria = 5.96 x 1.35 =8.05 m²
Carga muerta (Wm) = 273 Kg/m²
Carga Viva Máxima (Wvmáx) =500 Kg/m²
W; es la carga en Kg/m2
102
L; es la longitud en m.
Utilizando los factores de carga del Método LRDF tenemos:
Wu=1.2 Wm+1.6 Wvmáz= (1.2 X 369 Kg/m) + (1.6 X 675 Kg/m) = 1523
Kg/m/1000=1.5 Ton/m.
La carga puntual es de (1.5 Ton/m X 5.96 m) /2 = 4.5 Ton.
Idealizando la estructura y obteniendo los cortantes y momentos tenemos:
103
REVISION DE VIGAS EN MEZANINE
104
Obteniendo el diseño preliminar de la columna utilizando acero A-50.
Se deben de obtener las cargas que se muestran en la siguiente figura.
105
Idealizando la estructura y observando el diagrama de desplazamientos fuera de
escala tenemos:
106
Los resultados Mecánicos son los siguientes:
107
Diseño de la columna:
108
Longitud efectiva de columnas:
109
Esfuerzos críticos para acero A-36 y a-50 en kg/cm²
110
Momentos resistentes de perfiles “IR”.
Para el análisis de las secciones preliminares en la cubierta vamos a analizar la
trabe de eje 4 y la columna del eje H-4, ya que son los más desfavorables.
111
112
113
Revisión de la viga en cubierta:
114
Obteniendo el diseño preliminar de la columna utilizando acero A-50.
Se deben de obtener las cargas que se muestran en la siguiente figura:
En la primera figura la carga ya se obtuvo en el diseño de la viga anterior y el
resultado es el siguiente. 0.53 Ton/m.
Para obtener las cargas de la segunda figura tenemos.
115
Área tributaria= (0.75m X 5.96 m) = 4.47m²
Carga muerta (Wm) = 21 Kg/m²
Carga Viva Máxima (Wvmax) = 40 Kg/m²
Donde atrib; es el área atributaría de la sección a diseñar en m ²
W; es la carga en Kg/m²
L; es la longitud en m.
Idealizando la estructura y observando el diagrama de desplazamientos fuera de
escala tenemos:
116
Los resultados mecánicos son los siguientes:
117
118
Longitudes efectivas de columnas.
119
Esfuerzos críticos para acero A-36 y a-50 en kg/cm²
120
121
Cuantificación de cargas por aéreas
.
122
123
Análisis sísmico por rigideces.
124
125
Rigideces a flexión en mezanine en cm³.
Rigideces de entrepiso Ton/cm.
Rigideces a flexión en cubierta en cm³
126
127
Rigideces a flexión en cubiertas en cm³
128
Rigideces de entrepiso en Ton/cm.
129
Análisis sísmico Fuerzas Cortantes.
130
EDUCCIÓN DEL FACTOR DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO
Requisitos de regularidad para una estructura.
1. - Planta sensiblemente simétrica en masas y elementos resistentes con respecto a
dos ejes ortogonales.
Respuesta: Debido a que el diseño estructural contempla una nave industrial con un
pequeño mezanine; cumplimos este punto.0
2. - Relación de altura a menor dimensión de la base menor de 2.5
Respuesta: 10.10m / 25.75m = 0.39; por lo que se cumple con este punto
3. - Relación largo ancho de la base menor de 2.5
Respuesta: 47.67m / 25.75m = 1.85; por lo que se cumple con este punto
4. - En planta no tiene entrantes ni salientes cuya dimensión exceda de 20 por ciento de
la dimensión de la planta medida paralelamente a la dirección que se considera de la
entrante o saliente.
Respuesta: Como la nave industrial no tiene entrantes ni salientes en planta; por lo
que cumplimos con este punto
5. - Cada nivel tiene un sistema de techo o piso rígido y resistente
Respuesta: Como la nave industrial tiene un sistema constructivo en cubierta de
lámina: No se cumple con este punto
6.- No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensión exceda de 20
por ciento de la dimensión en la planta medida paralelamente a la dimensión que se
considere la abertura. Las áreas huecas no ocasionan asimetrías significativas ni
131
difieren en posición de un piso a otro y el área total de aberturas no excede en ningún
nivel de 20 por ciento del área de la planta.
Respuesta: Como la nave industrial no tiene aberturas en sus sistemas de piso o
techo: Cumplimos con este punto.
7. - El peso de cada nivel, incluyendo la cargas viva que debe considerarse para diseño
sísmico, no es mayor que el del piso inmediato inferior ni, excepción hecha del último
nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso.
Respuesta: Debido a que el diseño estructural contempla una nave industrial con un
pequeño mezanine; Cumplimos con este punto.
8. - Ningún piso tiene un área, delimitada por los paños exteriores de sus elementos
resistentes verticales, mayor que la de el piso inmediato inferior ni menor que 70 por
ciento de está. Se examine de este último requisito únicamente al último piso de la
construcción.
Respuesta: Como la nave industrial no tiene un área delimitada por los paños
exteriores de sus elementos resistentes verticales se cumple con este punto
9. - Todas las columnas están restringidas en todos los pisos en dos direcciones
ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas planas
Respuesta: Todas las columnas de la nave industrial están restringidas en dos
direcciones ortogonales por vigas
10. - La rigidez al corte de ningún entrepiso exceden más de 100 por ciento a la del
entrepiso inmediato inferior
Respuesta: Debido a que el diseño estructural contempla una nave industrial con un
pequeño mezanine; cumplimos con este punto.
11.- En ningún entrepiso la excentricidad torsional calculada estáticamente, en planta
de este entrepiso mediante paralelamente a la excentricidad mencionada, excede del
10 por ciento de la dimensión
132
Respuesta: La máxima excentricidad calculada en el mezanine es nula por lo que se
cumple con este punto
La máxima excentricidad calculada en cubierta es de 6.91 mts sobre el eje (Z), La
longitud en planta sobre ese eje es de 25.75 mts el 10 % de la dimensión anterior es
de 2.58 mts, por lo que no se cumple con este punto
Conclusión: Ya que no se cumplen todos los requisitos de regularidad se considerará que
la nave industrial no es regular por lo tanto las fuerzas no se pueden reducir.
133
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES PERSONALES
Como se pudimos observar en este proyecto los resultados han sido
positivos y se pudo diseñar la estructura para mi nave industrial FORTE
ALUMINIUM.
Por lo que espero que este trabajo sea usado como apoyo o referencia
para poder tener bases para el uso adecuado de materiales de
construcción (acero), así como cálculos necesarios para poder garantizar la
funcionalidad del proyecto.
134
BIBLIOGRAFIA
1.- Meli Piralla Diseño Estructural 2ª Edición, Limusa Noriega Editores, (México D. F. 2004)
2.- Manual de Construcción en Acero, Diseño por Esfuerzos Permisibles 4 ª edición, Limusa, (México, D. F., 2005)
3.- Jack C. Mc Cormac, Diseño de Estructuras de Acero Método LRDF, 2 ª Edición Alfaomega, (México D. F., Enero 2002)
4.- Amal Simón Luis, Betancourt Suarez Maz, Reglamento de Construcción para el Distrito Federal, 5 ª Edición titulo sexto Trillas, (México, D. F., 2005)
5.- Bazan Enrique, Meli Roberto Diseño Sísmico de Edificios sexta reimpresión, Limusa Noriega editores (México D. F., Enero 2003)
6.- Charles G. Salmon John E. Johson Steel Structures Design and Behavior Emphasizing load and Resistance factor Desing 4 ª Edition harper- Collins College publishers.
7.- Jack C. Mc Cormac, Diseño de Estructuras ASD 4 ª Edición, Alfaomega, (México D. F., Julio 2005)
8.- A. Gregorio Arana O. Calculo y Diseño de Edificios con Marcos Rígidos, Claves latinoamericanas, México D. F., agosto del 2002.
135