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IntroducciónCOI-313 Análisis Estructural
Alejandro Pérez Lolas
alejandro.perez@uv.cl
Tópicos
Motivación
Elementos Estructurales
Cargas de Diseño
Normativa
1
2
3
4
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación
INGENIERÍA ESTRUCTURAL ES
EL ARTE DE UTILIZAR MATERIALESCuyas propiedades sólo pueden ser estimadas
PARA CONSTRUIR ESTRUCTURAS REALESQue sólo pueden ser analizadas de manera aproximada
PARA RESISTIR ACCIONESQue no se conocen con exactitud
TAL QUE SE ASEGURE LA INTEGRIDAD DE LOS HABITANTES Y DE SUPATRIMONIO.
Adaptación Anónimo
Estructura
Distribución y orden de las partes importantes de un edificio.(Website Real Academia Española, 2011)
Cualquier conjunto de materiales ensamblados para resistir cargas(J.E. Gordon, Structures, 2da. Ed., 2003)
Toda construcción destinada a soportar su propio peso y la presencia de
acciones exteriores (fuerzas, momentos, cargas térmicas, etc.) sin perder
las condiciones de funcionalidad para las que fue concebida ésta.
(Website Wikipedia, 2011)
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Ingeniería Estructural
• Rama de la Ingeniería Civil.
• Disciplina que utiliza el arte y la ciencia para la planificación, análisis,
diseño, construcción y mantención de los sistemas estructurales
(esqueletos) de las obras civiles.
• Obras civiles en estudio:
../ edificios
../ caminos
../ aeropuertos
../ puentes
../ obras portuarias
../ embalses
../ túneles
../ canales
../ etc.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Objetivos
MisiónPreservar la funcionalidad de obras civiles frente a los efectos que se producen
por el servicio que prestan, o por las eventualidades que le corresponda
afrontar durante su período de vida útil.
Proporcionar la estructura para:
• Transmitir las fuerzasdesde el punto en que se generan hacia el terreno de
fundación donde esta se apoya.
• Con la condición que:
.., La estructura y sus elementos no pierdan su integridad, y
.., Las deformaciones inducidas no alteren el servicio que presta la obra.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Etapas Proyecto Estructural
1 Planificación
2 Análisis
3 Diseño
4 Construcción
5 Mantención
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5
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Proyecto Estructural
Planificación
Comprende el desarrollo de un anteproyecto que satisfaga requisitos
funcionales, económicos y estéticos.
Análisis
Construcción de un modelo matemático idealizado de la estructura real,
para luego obtener esfuerzos internos y deformaciones para diferentes tipos
de acciones.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Proyecto Estructural
Cargas de Diseño Normativa
Diseño
Selección de los materiales, determinación de las formas y tamaños de
las seccionesde los elementos que componen la estructura.
• Estructuras deber ser: resistentes, durables, estables y seguras.
• Conceptos matemáticos y físicos sirven para representar el
comportamiento de estructuras frente a cargas de diseño.
• Asegurar integridad estructural al menor costo posible.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Proyecto Estructural
Cargas de Diseño Normativa
Construcción
Fabricación y/o montaje de la estructura.
Mantención
Procedimientos para mantener la estructura durante su vida útil, de modo
que no pierda sus características.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Proyecto Estructural
Cargas de Diseño Normativa
Dependencia Análisis–Diseño:
• Es necesario un diseño o dimensionamiento preliminar para efectuar el
análisis.
• Resultados del análisis pueden implicar cambios en las dimensiones de
los elementos.
• Proceso de naturaleza iterativa.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Tópicos
Motivación
Elementos Estructurales
Cargas de Diseño
Normativa
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Estructuración
• Grandes estructuras se construyen para soportar cargas de manera
segura.
• Es necesario combinar formas estructurales (simple y/o compuestas)
para transmitir las cargas a través de la estructura
• Objetivos fundamentales: funcionalidad, eficiencia, economía,
seguridad.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Estructuración
vigas secundarias
Viga Principal
Columna
Viga Secundaria
Fundación
Losa apoyada
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Elementos Estructurales
1 Barras
2 Vigas
3 Columnas
4 Placas
5 Membranas
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Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
ColgadoresSometidos a carga de tracción pura
• Sección sometida a esfuerzo
uniforme.
• Material se utiliza con óptima
eficiencia.
• Elementos con pequeñas
secciones son capaces de
resistir cargas elevadas.
• Problema: muy flexibles y
tienden a vibrar fácilmente
ante cargas móviles.
• Solución: Límites de esbeltez,
para asegurar una rigidez
mínima (l/ r ).
colgadores
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
ColumnasSometidos a carga de compresión pura
• Capacidad en compresión es función de
razón de esbeltez (L / r ) y condición de
apoyo (K ).
• Columnas esbeltas: K L/ r grande, falla
por pandeo de manera abrupta.
• Columnas robustas: K L / r pequeño,
falla por aplastamiento o fluencia.
• En la práctica, pequeñas desviaciones de
columnas cargadas en compresión pura
producen momentos flectores que
deben ser considerados.
• Caso Especial: viga-columnas, presentes
en marcos con conexiones rígidas.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño
VigasSometidos a cargas transversales, resiste esfuerzos de corte y momento flector
• Elementos esbeltos cargados
perpendicularmente a su eje
longitudinal.
• Vigas se curvan y deflectan al
aplicarse carga.
• Fuerzas internas: corte (V ) y
momento (M ).
Generalmente, esfuerzo de corte (τ) es menor que esfuerzo flector (σc y
σt ). Excepción: vigas cortas.
• Comportamiento elástico.
Distribución lineal de esfuerzo a
través de la sección, proporcional a
la magnitud del momento.
esfuerzos
flectores
par
interno
brazo
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño
PlacasEsfuerzos actuando principalmente fuera del plano del elemento
• Elementos planos flexibles, de
pequeño espesor comparado con su
largo y ancho.
• Usos: pisos en edificios, muros de
contención, muros de estanques, etc.
• Comportamiento dependedecondiciones de apoyo.
- Curvatura simple- Curvatura doble
• Para evitar deflexión excesiva en losas,
deben apoyarse sobre vigas depiso,
deben agregarse nervaduraso utilizar
esperormayores.
curvatura simple
(una dirección)
curvatura doble
(dos direcciones)
viga
(típica) losa
ala superior
alma
conector de
corte
viga de
acerolosa
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño
Membranas: Muros EstructuralesEsfuerzos actuando principalmente en el plano del elemento
M
V
N
• Elementos planos flexibles, de
pequeño espesor.
• Principal fuente de estabilidad
lateral de estructuras.
• Resistencia y rigidez frente a
acciones laterales y gravitacionales.
• Clasificación: muros esbeltos y
muros cortos.
• Caso especial: losas como diafragma
de piso.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño
Enrejados PlanosEstructuras cuyos componentes son cargados axialmente
• Compuesto de barras esbeltas, interconectadas en sus extremos por
pasadores (conexiones simples).
• Ensamblado de acuerdo a un patrón triangular (configuración estable
más simple).
• Comportamiento similar a una viga de alma abierta, con la salvedad
de que los elementos resisten solamente cargas de compresión y
tracción.cordón
superior
cordón
inferior
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño
Marcos RígidosEstructuras cuyos componentes son solicitados por carga axial y momento
• Estructuras con
conexiones rígidas
(ángulo entre
elementos no debe
cambiar cuando son
cargadas).
• Elementos califican
como viga-columnas.
atiesadores
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Tópicos
Motivación
Elementos Estructurales
Cargas de Diseño
Normativa
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Motivación Elementos Estructurales
Acciones y Cargas Externas
Velocidad de Cambio en el Tiempo
• Estáticas
• Dinámicas
Origen
Peso Propio: Originada por el peso de la estructura misma y de los
elementos no estructurales que se encuentran ligados
permanentemente.
Sobrecargas: Cargas de servicio o uso frecuente, i.e. peso mobiliario y
personas, vehículos, lluvia, empujes de agua, etc.
Eventuales: Acciones de ocurrencia poco frecuente, i.e. sismo, viento,
nieve, impacto, etc.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Peso Propio
• Fuerza gravitacional cuya variación en el tiempo es despreciable.
• Asociada al peso de la estructura y de sus componentes permanentes,
i.e. pisos, cielos, ductos, etc.
• Se determina a partir de dimensiones (cubicación) y peso específico de
materiales de construcción y de componentes permanentes.
• Generalmente es del tipo distribuido.
• Norma chilena: NCh1537-2009.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Sobrecarga de Uso
• Cargas que pueden moverse sobre o fuera de la estructura.
• Ejemplo: En edificios, peso de las personas, mobiliario, maquinaria, y
otros equipos.
• Valor de sobrecarga corresponde a una estimación conservadora
según su uso deseado.
• Además, es preciso considerar sobrecargas transitorias de construcción.
• Norma chilena: NCh1537-2009.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerza gravitacionalCarga tributaria en vigas
• Sistemas de piso (i.e. losa de hormigón) son soportados por un
entramado de vigas de piso.
• Distribución de carga sobre las vigas de piso depende de la
configuración geométrica del entramado.
• Para repartir la carga de piso sobre una viga, se debe multiplicar la
carga de piso (por unidad de superficie) por el área tributaria de la
viga.
• Los límites del área tributaria se determinan considerando los ejes
centrales de los campos de losa, y suponiendo una recta con ángulo de
45◦ para vigas adyacentes.
• Buena aproximación para:
- Losa con la misma condición de borde en todos sus lados.
- Vigas con rigidez similar y continuidad en ambos sentidos.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerza gravitacionalCarga tributaria en vigas
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerza gravitacionalCarga tributaria en columnas
• Existen dos alternativas para el cálculo de carga tributaria de pisosobre una columna:
1 Determinar las reacciones de vigas de piso que se apoyan sobre la
columna.
2 Multiplicar el área tributaria de piso que rodea la columna (limitada por
los ejes centrales de los campos de losa) por la carga de piso (por unidad
de superficie).
• Nota: Cuando las columnas son espaciadas aproximadamente a la misma
longitud en ambas direcciones, las columnas interiores soportan
aproximadamente cuatro veces más carga de piso que las columnas
exteriores.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerza gravitacionalCarga tributaria en columnas
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesCarga de Nieve
• En regiones heladas, i.e. zonas cordilleranas y/o extremo sur de Chile, se
debe considerar el peso de la nieve en techos.
• Carga es función principalmente de zona geográfica y de las condiciones
del techo: pendiente y superficie (rugosidad u obstáculos).
• Otros efectos a considerar: calefacción de edificios, importancia de
edificios, entre otros.
• Norma Chilena: NCh431-1977.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesCarga de Viento
• Viento se comporta como un fluido.
• Presión de viento sobre una estructura es función de la velocidad de
viento, forma y rigidez de la estructura, rugosidad del entorno, y la
influencia de estructuras adyacentes.
• Valores de presiones de diseño se encuentran tabulados en la norma
chilena NCh432-1971 (en revisión).
• Para edificios altos, o con perfiles especiales, es preciso construir
modelos a escala sometidos ensayos de túnel de viento, para obtener
con mayor precisión la magnitud y distribución de presiones de viento
sobre la estructura.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesCarga de Viento
• Mecánica de Fluidos. Energía cinética de
partículas de aire en movimiento se
transforma en presión sobre el obstáculo:
qw =ρv2
2
qw presión del viento
ρ densidad del aire
v velocidad del viento
• Fricción del suelo produce gran influencia
sobre v (ver figura a).
• Distribución de presiones de viento
especificado en normas de diseño se obtiene
de manera equivalente (ver figura b).
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesCarga de Viento
• Velocidad del viento aumenta para línea de corriente próxima al
obstáculo.
• Incremento de velocidad del viento produce una reducción de presión
(succión) sobre el obstáculo (principio de Bernoulli).
• Ejemplo 1. Succión en techos inclinados.
• Ejemplo 2. Succión en las caras laterales y sotavento de edificio.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesCarga de Viento
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesCarga de Sismo
• En regiones cercanas a fallas geológicas activas, la energía liberada por
una ruptura en la falla genera ondas sísmicas que viajan por el suelo.
• Los movimientos del suelo de fundación generan oscilaciones en
edificios y estructuras.
• Fuerzas inerciales, asociadas con la oscilación de la estructura, son
función del peso y rigidez de la estructura, entre otros.
• Ecuación de movimiento:
m x t +c x t +kx t = f(t)
• La resultante de fuerzas laterales (inerciales) transmitida a la
fundación se denomina corte basal.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesCarga de Sismo
• Determinación de corte basal
mediante distintos
procedimientos analíticos:
estático equivalente, modal o
tiempo-historia.
• Corte basal se distribuye en la
altura, de acuerdo a la norma
sísmica aplicable.
• Normas Chilenas:
NCh433-1996 (Mod. 2009)
NCh2369-2003
NCh2745-2003
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Fuerzas EventualesOtras Cargas
• Inundación
De especial importancia en estructuras subterráneas
Presión hidrostática
Presión hidrodinámica
Oleaje
Erosión
• Apozamiento
Acumulación lluvia o hielo
• Fallas del suelo
Asentamientos
Pérdida de resistencia portante (i.e. licuación)
Etc.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Tópicos
Motivación
Elementos Estructurales
Cargas de Diseño
Normativa
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Motivación Elementos Estructurales
Normativa de Construcción
• Conjunto de especificaciones técnicas y estándares.
• Controlan detalles mayores del análisis, diseño y construcción de obras
civiles.
• Objetivo: producir estructuras seguras y económicas, protegiendo a las
personas de diseños y construcciones pobres o inadecuados.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Normativa de Construcción
• Sirve de ayuda para el Ingeniero, quien debe interpretar correctamente
cada disposición utilizando criterio (conocimiento + experiencia).
• Pero más importante: son INSTRUMENTOS LEGALES
• Algunas características de leyes:
- Generalidad
- Obligatoriedad
- Permanencia
- Abstracta e impersonal
- Conocida
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Normativa de Construcción
Fuentes de conocimiento
• Estudios teóricos
• Evidencias experimentales
• Práctica profesional
• Revisiones y actualizaciones periódicas, a medida que el conocimiento
avanza, e.g. nuevos métodos computacionales, terremotos, etc.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Normativa de Construcción
• Códigos de Análisis y Diseño
• Códigos de Edificación
Nota
• Códigos se revisan y actualizan a medida que el conocimiento avanza.
• Cada vez que se introducen nuevos dispositivos o materiales en la
construcción (i.e. aisladores sísmicos), u ocurren repetidas fallas de
sistemas aceptados (i.e. Terremoto Chile 2010).
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Códigos de Análisis y Diseño
• Especifican distintos parámetros de diseño:
Cargas de uso y eventuales.
Resistencias admisibles/nominales de los materiales.
Comportamiento de elementos estructurales.
Supuestos de diseño (heurísticas).
Requisitos especiales (detallamiento) para los materiales de construcción.
• Ejemplos: ACI-318, AISC, ASCE, NCh, etc.
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
Motivación Elementos Estructurales
Códigos de Edificación
• Establecido para cubrir la construcción de una región dada.
• Toma en consideración las condiciones locales de la construcción.
- Disponibilidad de material.
- Mano de obra.
- Emplazamientos.
- Legislación local.
• Contiene disposiciones multidisciplinarias, pertinentes en temas de:
- Arquitectura
- Ingeniería Estructural
- Ingeniería Mecánica
- Ingeniería Eléctrica
- Construcción
- Etc.
• Ejemplos: IBC (USA), LGUC y OGUC (Chile).
Motivación Elementos Estructurales Cargas de Diseño Normativa
IntroducciónCOI-313 Análisis Estructural
Alejandro Pérez Lolas
alejandro.perez@uv.cl