01-Introduccion-Diseno-Estructural-Ing-ELIUD-HERNÁNDEZ

•Concepto del Diseño Estructural

•Proceso del Diseño Estructural

•Conceptos Fundamentales

•Diseño por Estados Límites

•Acciones y sus Efectos sobre las Estructuras

•Métodos del Diseño Estructural

•Normas para el Diseño Estructural

•Combinaciones de Carga

•Programas de Cálculo Estructural

DISEÑO ESTRUCTURAL - UNIMET INTRODUCCION AL DISEÑO ESTRUCTURAL

(Ing. Eliud Hernández)

Ing. Eliud Hernández. www.inesa.com.ve http://eliudh.sharepoint.com

Teléfonos: 58-412-2390553; 58-212-7616107; 58-212-7617872Email: [email protected] Twitter: @eliudh5

INTRODUCCION AL DISEÑO ESTRUCTURAL (Ing. Eliud Hernández)

1.1) Concepto de Diseño Estructural.

Se caracteriza por un proceso creativo mediante el cual se le da forma a

un sistema estructural para que cumpla una función determinada con

un grado de seguridad razonable y que en condiciones normales

de servicio tenga un comportamiento adecuado. Es importante considerar

ciertas restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos

del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo

de ejecución así como de satisfacer determinadas exigencias estéticas.

Entonces, la solución al problema de diseño no puede obtenerse mediante

un proceso matemático rígido, donde se aplique rutinariamente un

determinado conjunto de reglas y fórmulas.


1.2) Proceso del Diseño Estructural.

Etapa 1 - Estructuración: En esta etapa se define principalmente el sistemaestructural a utilizar. Se elabora un esquema preliminar con dimensiones, distancias,materiales, tipos de elementos y secciones.

Etapa 2 – Estimación de Acciones: En esta etapa se identifican las acciones quevan a actuar sobre el sistema estructural durante su vida útil. Entre estas acciones seencuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como la carga muerta,acciones variables como la carga viva, acciones accidentales como el viento y elsismo.

Etapa 3 – Predimensionado: En esta etapa se realiza un predimensionado de loselementos que conforman la estructura tomando en cuenta el sistema estructuraladoptado y las acciones que inciden sobre la misma. En esta etapa es fundamentalla experiencia del ingeniero ya que un predimensionado optimo reduce el tiempo deanálisis.



Etapa 4 – Idealización de la Estructura: Consiste en seleccionar un modeloteórico y analítico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculodisponibles. Esto incluye:

a) Definir materiales y secciones a utilizar.b) Elaboración de un modelo plano o tridimensional que representa las

principales características geométricas de la estructura, incorporando loselementos que la conforman con sus respectivas secciones y materialesasociados tomando en cuenta el predimensionado realizado.

c) Establecer las condiciones de unión entre los elementos y los vínculos deapoyo de la estructura.

d) Aplicar las acciones permanentes, variables y accidentales



Etapa 5 – Análisis Estructural: Se define como el procedimiento que lleva ladeterminación del sistema estructural ante la solicitación de las acciones externasque puedan incidir sobre dicho sistema. La respuesta de una estructura o de unelemento bajo una acción determinada; está en función de sus propiascaracterísticas y puede expresarse en términos de deformaciones, desplazamientos,esfuerzos, fuerzas, reacciones, vibraciones, agrietamiento, etc.

Etapa 6 – Diseño Estructural: En esta etapa se definen los elementos quecumplen bajo los criterios de resistencia y de servicio, tomando en cuenta lasmáximas solicitaciones provenientes del análisis y los aspectos normativos queapliquen.


1.3) Conceptos Fundamentales.

La principal función de un sistema estructural es la de absorber las acciones osolicitaciones que se derivan del funcionamiento de la construcción.

Acciones: Son todos los agentes externos que inducen en la estructura fuerzasinternas, esfuerzos y deformaciones.

Respuestas: Se representa por un conjunto de parámetros físicos que describen elcomportamiento de la estructura ante las acciones que le son aplicadas.

Estado límite: Es cualquier etapa en el comportamiento de la estructura a partirde la cual su respuesta se considera inaceptable.

Resistencia: Se asocia a la capacidad de un elemento o estructura condicionadapor un estado límite.


1.4) Diseño por Estados Límites

El objetivo del diseño por el Método de los Estados Límites es mantener una bajaprobabilidad de alcanzar un estado límite preestablecido para una dada tipologíaestructural. Para lograr este objetivo la demanda de rigidez, resistencia, estabilidady de absorción y disipación de energía sobre la estructura, sus miembros y juntasno debe exceder la capacidad de los mismos.

Se alcanza este objetivo multiplicando las solicitaciones por sus factores demayoración para cuantificar la demanda y multiplicando las resistencias teóricaspor sus factores de minoración para calcular la capacidad.

La confiabilidad final de la estructura estará dada entonces por el cabalcumplimiento de la Norma incluyendo un correcto detallado, fabricación,montaje, inspección y mantenimiento.

Se tienen dos (2) Estados Límites: Agotamiento Resistente y de Servicio.


a) Estado Límite de Agotamiento Resistente: Se encuentra relacionado con laseguridad y la capacidad donde se incluyen las verificaciones por resistencia,estabilidad, volcamiento, colapso y cualquier otra falla estructural que comprometala seguridad y la vida.

El criterio fundamental para el estado límite de agotamiento resistente está dado

por la siguiente expresión simplificada:Σ γi Qi ≤ φi Rti

Qi: Efecto de las solicitaciones previstas no mayoradas

γi: Factor de mayoración correspondiente a la solicitación Qi., por ejemplo, las producidas

por acciones permanente “CP”, variables “CV”, etc.

Σ γi Qi : Demanda local de resistencia o solicitaciones mayoradas (Nu, Mu, Vu) sobre la

estructura, sus miembros, conexiones o componentes correspondiente a un determinado

estado límite.

Rti: Resistente teórica (Nt, Mt, Vt) de la estructura, sus miembros, conexiones o

componentes.

φi: Factor de minoración de la resistencia teórica Rti.

φi Rti: Capacidad o Resistencia minorada


b) Estado Límite de Servicio: Esta relacionado con la durabilidad yfuncionamiento bajo condiciones normales de servicio que puedan afectar elconfort de los usuarios, como flechas o deformaciones y contraflechas,vibraciones, fatiga, efectos de temperatura, deslizamiento en las juntas yconexiones, y corrosión.

En una estructura flexible es inaceptable despreciar las condiciones de servicio.Hay esencialmente tres tipos de comportamiento estructural que puede llevar alestado límite de servicio:

Excesivo daño local por cedencia, pandeo, deslizamiento, o agrietamientoque puede requerir un excesivo mantenimiento u ocasionar corrosión. Excesiva flecha o rotación que puede afectar la apariencia, función, odrenaje de la estructura, o que puede causar daños a componentes noestructurales y sus conexiones. Vibración excesiva producida por viento o cargas variables que afectan elbienestar de los ocupantes de la estructura o la operación de equiposmecánicos.


1.5) Acciones y sus Efectos sobre las Estructuras.

Atendiendo los conceptos de seguridad estructural y de los criterios de diseño, laclasificación mas racional de las acciones se hace en base a la variación de suintensidad con el tiempo. Se distinguen así los siguientes tipos de acciones:

a) Acciones Permanentes: Son las que actúan en forma continua sobre laestructura y cuya intensidad pude considerarse que no varía con el tiempo.Pertenecen a este grupo las siguientes:

• Cargas muertas debidas al propio peso de la estructura y al de los elementos no estructurales de la construcción• Empujes estáticos de líquidos y tierras• Deformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto del pre-esfuerzo y a movimientos diferenciales permanentes en los apoyos


1.5) Acciones y sus Efectos sobre las Estructuras.

b) Acciones Variables: Son aquellas que inciden sobre la estructura con unaintensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores importantes durantelapsos grandes. Se consideran las siguientes:• Cargas vivas asociadas al funcionamiento propio de la construcción y que no tienen carácter permanente.• Cambios de temperaturas y/o volumétricos

c) Acciones Accidentales: Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la construcción y que puede tomar valores significativos solo durante un corto tiempo en toda la vida útil de la estructura. Se consideran las siguientes: Sismos, Vientos, Oleajes y Explosiones.

Para evaluar el efecto de las acciones sobre la estructura requerimos modelardichas acciones como fuerzas concentradas, lineales o uniformementedistribuidas. Si la acción es de carácter dinámico se puede proponer un sistema defuerzas equivalentes o una excitación propiamente dinámica.


1.6) Métodos del Diseño Estructural.

a) Diseño por medio de modelos: Se recomienda en el diseño de elementosestructurales de forma muy compleja que no son fáciles de analizar pormedio de los modelos matemáticos usuales.

b) Método de los esfuerzos permisibles (Teoría Elástica): Los elementosmecánicos producidos en los distintos elementos por las solicitaciones deservicio o de trabajo se calculan por medio de un análisis elástico. Sedeterminan después los esfuerzos en las distintas secciones debido a loselementos mecánicos, por métodos también basados en hipótesis elásticas.Los esfuerzos de trabajo así calculados, deben mantenerse por debajo deciertos esfuerzos permisibles que se consideran aceptables, el método esrazonable en estructuras de materiales con un comportamiento esencialmenteelástico.


1.6) Métodos del Diseño Estructural.

c) Método de la Resistencia (teoría plástica): Los elementos mecánicos sedeterminan por medio de un análisis elástico-lineal. Las secciones sedimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas acciones detrabajo a las que puedan estar sujetas sean igual a dichas accionesmultiplicadas por factores de carga, de acuerdo con el grado de seguridaddeseado o especificado. La resistencia de la sección se determinaprácticamente en la falla o en su plastificación completa.

d) Métodos Basados en Comportamiento Plástico: En este criterio sedeterminan los elementos mecánicos correspondientes a la resistencia decolapso de la estructura a través de la formación de suficientesarticulaciones plásticas para llegar a la falla total de la misma.


1.7) Normas para el Diseño Estructural.

Normas Venezolanas:

• COVENIN 1756-01 “Edificaciones Sismorresistentes”• COVENIN 1618-98 “Estructuras de Acero para Edificaciones. Método delos Estados Límites.• COVENIN 1755-82 “Código de Prácticas Normalizadas para la Fabricacióny Construcción de Estructuras de Acero”.• COVENIN 2002-88 “Criterios y Acciones Mínimas para el Proyecto deEdificaciones”.• COVENIN 2003-86 “Acciones del Viento sobre las Construcciones”• COVENIN 1753-87 “Estructuras de Concreto para Edificaciones. Análisis yDiseño”. Nota: Actualmente se tiene una propuesta 2006.• COVENIN 3621-00 “Diseño Sismorresistente de Instalaciones Industriales”• COVENIN 3623-00 “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”.


1.7) Normas para el Diseño Estructural.

Normas Internacionales:

• ANSI/AISC 360 “Specifications for Structural Steel Buildings”• ANSI/AISC 341 “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”• ANSI/AISC 358 “Prequalified Connections for Special and Intermediate SteelMoment Frames for Seismic Applications.”• ACI 318-08 “Building Code Requirements for Structural Concrete”

ESTRUCTURAS DE ACERO

1.8) Combinaciones de Carga

1.4 CP

1.2 CP + 1.6 CV + 0.5 CVt

1.2 CP + 1.6 CVt + 0.5 CV

1.2 CP + 1.6 CVt + 0.8 W

1.2 CP + 0.5CV + 0.5 CVt ± 1.3 W

0.9CP ± 1.3 W

1.2 CP + γγγγ CV ± S

0.9 CP ± S

CP : Carga Permanente

CV: Carga Variable

CVt: Carga Variable de Techo

S: Acción Sísmica

W: Acción del Viento

γγγγ: : : : Factor de Participación.

La acción Sísmica se expresa tomando en cuenta la componente

horizontal y vertical: S = Sh ± Sv (Sv = 0.2αφβαφβαφβαφβAoCP)


1.8) Combinaciones de Carga

En determinados casos es necesario aplicar una carga sísmica

amplificada dada por el factor “ΩΩΩΩοοοο”, para el diseño de miembros

especiales, conforme a los sistemas estructurales en acero

sismorresistentes.

1.2 CP + γγγγ CV ± ΩΩΩΩοοοο S

0.9 CP ± ΩΩΩΩοοοο S

La acción Sísmica se expresa tomando en cuenta la componente

horizontal y vertical: S = Sh ± Sv (Sv = 0.2αφβαφβαφβαφβAoCP)


1.9) Programas de Cálculo Estructural.

• SAP2000

• ETABS

• SAFE

• CSI Col

• PERFORM 3D

• BRIDGES

• OFF SHORE

Programas ROBOT

• Robot Millenium

• RoboBat

Otros:

• Cypecad

• Abaqus

• STAAD.Pro

• STAAD.Foundation

• STAAD.Offshore

• RAM Advanse

• RAM Structural System

• RAM Elements

A continuación se presenta una lista de los programas mas comercialesutilizados actualmente:

Programas CSI Programas BENTLEY

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