1.-Introduccion Al Diseño Estructural

7/21/2019 1.-Introduccion Al Diseño Estructural

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INTRODUCCION AL DISEÑO 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•

Combinaciones de Carga• Métodos de Análisis• Programas de Cálculo Estructural•

Normas para el Diseño Estructural

Ing. Eliud Hernández.www.inesa-adiestramiento.com

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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 conun grado de seguridad razonable y que en condiciones normalesde servicio tenga un comportamiento adecuado. Es importante considerarciertas restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos

del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempode ejecución así como de satisfacer determinadas exigencias estéticas.Entonces, la solución al problema de diseño no puede obtenerse medianteun 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 que van a actuar sobre el sistema estructural durante su vida útil. Entre estas acciones se

encuentra, 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.




1.2) Proceso del Diseño Estructural.

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




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 partir

de 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 comprometa

la 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 mayoradasγi: 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 laestructura, sus miembros, conexiones o componentes correspondiente a un determinadoestado límite.Rti: Resistente teórica (Nt, Mt, Vt) de la estructura, sus miembros, conexiones ocomponentes.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 y funcionamiento 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 y conexiones, 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 noestructurales de la construcción• Empujes estáticos de líquidos y tierras• Deformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto del pre-esfuerzoy a movimientos diferenciales permanentes en los apoyos





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 notienen carácter permanente.• Cambios de temperaturas y/o volumétricos

c) Acciones Accidentales: Son aquellas que no se deben al funcionamientonormal de la construcción y que puede tomar valores significativos solo duranteun 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 de

fuerzas equivalentes o una excitación propiamente dinámica.





La acción sísmica se aplica fundamentalmente a través de un espectro dediseño en función a varios parámetros:

• Tipo de Estructura• Zona Sísmica• Nivel de Importancia•

Tipo de Suelo• Factor de Reducción de Respuesta.

Esta acción sísmica se aplica endirecciones ortogonales (Sx , Sy)

El espectro de diseño representa lasmáximas respuestas de aceleración deinfinitos sistemas de 1 GDL ante unaacción sísmica tomando enconsideración los parámetros antesmencionados.




1.6) Combinaciones de Carga

1.4 CP

1.2 CP + 1.6 CV + 0.5 CVt1.2 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 W0.9CP ± 1.3 W

1.2 CP + γ γγ γ CV ± S

0.9 CP ± S

CP : Carga Permanente

CV: Carga Variable

CVt: Carga Variable de Techo

S: Acción Sísmica

W: Acción del Viento

γ γγ γ:::: Factor de Participación.

La acción Sísmica se expresa tomando en cuenta la componente

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





En determinados casos es necesario aplicar una carga sísmica

amplificada dada por el factor “ ΩΩΩΩοοοο”, para el diseño de miembrosespeciales, conforme a los sistemas estructurales en acero

sismorresistentes.

1.2 CP + γ γγ γ 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 = 0.2 αφβαφβαφβαφβ AoCP)





El Sismo Horizontal Sh viene dado por sismos ortogonales que se

combinan de acuerdo con uno de los siguientes métodos:

a) La raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las solicitacionescorrespondientes a cada dirección del sismo.

b) El valor absoluto de las solicitaciones debidas a sismo en unadirección más 0.30 del valor absoluto de las solicitaciones debidas asismo en la dirección ortogonal, y viceversa.




1.7) Métodos de Análisis

1) Análisis Estático Equivalente : Se aplica a estructuras regulares menores

a 10 pisos o 30 metros donde se limita el riesgo torsional. La distribución defuerzas se fundamenta en la respuesta del modo principal, el cual se presentacon una distribución triangular desde el nivel base hasta el tope de laestructura.

2) Método de superposición Modal con un grado de libertad pornivel: Se aplica a estructuras planas donde se unifican los desplazamientos decada nivel considerando que no existe deformación axial de las vigas. Lasfuerzas máximas probables por sismos se obtienen de superponer las fuerzasde cada modo empleando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado (SRSS), obien, la combinación cuadrática completa (CQC). El número mínimo demodos a considerar será proporcional al número de niveles garantizando que lasumatoria de masas participativas sea mayor o igual al 90%. En cualquier caso

será necesario revisar que el corte basal dinámico sea igual o mayor al estático.





3) Método de superposición Modal con tres grados de libertad por

nivel: Se aplica a estructuras espaciales incluyendo el acoplamiento de las vibraciones traslacionales y torsionales de la edificación y considera tresgrados de libertad para cada nivel (diafragma rígido). Las fuerzas máximasprobables por sismos, para cada dirección, se obtienen de superponer lasfuerzas de cada modo empleando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado(SRSS), o bien, la combinación cuadrática completa (CQC). El númeromínimo de modos a considerar será equivalente a 3 veces el número deniveles garantizando que la sumatoria de masas participativas sea mayor oigual al 90%. Adicionalmente, debido a la incertidumbre en la ubicación delos centros de masa y rigidez se considera una excentricidad accidental que

varía generalmente entre el 5% y el 10% del ancho de la planta perpendiculara la acción sísmica. En el caso de Venezuela se aplica el 6%. En cualquier casoserá necesario revisar que el corte basal dinámico sea igual o mayor al estático.





4) Método de Análisis Dinámico Espacial con Diafragma Flexible:Se aplica a estructuras espaciales que no poseen una rigidez de conjunto en elplano suficiente para un comportamiento rígido. Las vibracionestraslacionales y torsionales se dan en función a la distribución de masas y rigidez en la edificación. Las fuerzas máximas probables por sismos, paracada dirección, se obtienen de superponer las fuerzas de cada modoempleando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado (SRSS), o bien, lacombinación cuadrática completa (CQC). El número mínimo de modos aconsiderar será el que garantice que la sumatoria de masas participativas seamayor o igual al 90%. Adicionalmente, debido a la incertidumbre en la

disposición real de la masa ante acciones sísmicas se considera unaexcentricidad accidental en el orden del 3% del ancho de la plantaperpendicular a la acción sísmica. Esto se hace modificando gradualmente ladistribución de masas en cada nivel. En cualquier caso será necesario revisar

que el corte basal dinámico sea igual o mayor al estático.





5) Método de Análisis Dinámico con Acelerogramas: Se aplica aestructuras planas y/o espaciales con un análisis mediante procedimientos deintegración directa (paso a paso) para acelerogramas representativos de laacción sísmica esperada en el sitio. Para el análisis se utilizarán al menos 4acelerogramas o pares de acelerogramas. Si el análisis incluye la acciónsimultánea de las dos componentes horizontales del sismo, los acelerogramas ausar deberán tener un coeficiente de correlación adecuado.

La respuesta dinámica probable se obtendrá de promediar las respuestasobtenidas para todos los acelerogramas del conjunto. En el análisis se deberán

incluir los efectos P-∆. Los movimientos sísmicos a utilizar en el análisispodrán ser acelerogramas registrados o simulados mediante procedimientosreconocidos. El espectro elástico promedio de los acelerogramas del conjuntodeberá aproximarse conservadoramente al espectro de diseño para el valor

R=1.0, en el rango de los períodos propios de la estructura.





6) Método de Análisis Estático Inelástico: Constituye una opciónadecuada para ser utilizada en conjunto con el método de Análisis EstáticoEquivalente, a fin de obtener información sobre los mecanismos de falla, lasdemandas locales y globales de ductilidad, y la identificación de zonas críticas.

El patrón de cargas estáticas laterales a aplicar se obtendrá proporcional a loobtenido por el método de Análisis Estático Equivalente para cada nivel,actuando en forma monotónica y creciente, hasta alcanzar la falla o estado deagotamiento de la estructura.

La estructura será modelada considerando un comportamiento inelásticorepresentativo de sus características mecánicas para cada miembro estructural,donde el patrón de cargas laterales inicia a partir del estado final dedeformaciones y solicitaciones ante acciones gravitacionales.




1.8) 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




1.9) 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 y Diseño”. Nota: Actualmente se tiene una propuesta 2006.• COVENIN 3621-00 “Diseño Sismorresistente de Instalaciones Industriales”• COVENIN 3623-00 “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”.




1.9) 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 “Building Code Requirements for Structural Concrete”• UBC “Uniform Building Code”• ASCE “American Society of Civil Engineers”

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