introducción analisis estructural

IntroducciónCOI-313 Análisis Estructural

Alejandro Pérez Lolas

[email protected]

mailto:[email protected]

Tópicos

Motivación

Elementos Estructurales

Cargas de Diseño

Normativa

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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)


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.


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

Etapas Proyecto Estructural

1 Planificación

2 Análisis

3 Diseño

4 Construcción

5 Mantención

1

2

3

4

5



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.




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.





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.





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.


Tópicos

Motivación


Cargas de Diseño

Normativa

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4

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.


Estructuración

vigas secundarias

Viga Principal

Columna

Viga Secundaria

Fundación

Losa apoyada




1 Barras

2 Vigas

3 Columnas

4 Placas

5 Membranas

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2

3

4

5



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



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

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



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



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.



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



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


Tópicos

Motivación


Cargas de Diseño

Normativa

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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.


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.


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.


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.


Fuerza gravitacionalCarga tributaria en vigas


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.


Fuerza gravitacionalCarga tributaria en columnas


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.


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.



• 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).



• 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.


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.


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


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.


Tópicos

Motivación


Cargas de Diseño

Normativa

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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.




• 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




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.




• 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).



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.



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).


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