Hormigón Armado I 2 Conceptos de Diseño
2.1 Principios Básicos 2.2 Normativa Chilena 2.3 Resistencia 2.4 Acciones o Cargas
2.1 Principios Básicos
Proyecto de Ingeniería
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Diseño Estructural - Principios Básicos
“Una estructura debe ser proyectada y construida para que, con una seguridad aceptable, sea capaz de soportar todas las acciones que la puedan solicitar durante la construcción y el período de
vida útil previsto en el proyecto así como la agresividad del ambiente.”
5
Diseño Estructural - Principios Básicos
“Los anteriores requisitos se satisfarán mediante un proyecto correcto que incluya una
adecuada selección de la solución estructural y de los materiales de construcción, una ejecución cuidadosa conforme al proyecto, un control adecuado del proyecto, de la ejecución y de la explotación así como un uso y mantenimiento apropiados.” 6
Proyecto Diseño Estructural Diseño Conceptual Definición del sistema estructural y los materiales
Verificación Requerimientos de Desempeño Utilizando herramientas de análisis y diseño estructural se verifica que la estructura es adecuada para los requerimientos de desempeño definidos en las disposiciones de las normas y códigos de diseño
Inspección de Obra Revisión de proyecto, asesoría e inspección de obra
Diseño Estructural Criterios de Desempeño Normas de Diseño
DEMANDA
CAPACIDAD
• Resistencia • Rigidez • Capacidad de deformación
• Resistencia • Rigidez • Capacidad de deformación
• Análisis structural • Ensayes de laboratorio
• Modelos analíticos • Ensayes de laboratorio
Normas de Diseño Estructural Norma de Diseño Estructural: un compendio de regulaciones y especificaciones mínimas que deben cumplir las edificaciones, con el objeto de proteger la seguridad y bienestar de los ocupantes.
•Ref: Galambos, T., “Structural Design Codes: the Bridge Between Research and Practice”
Diseño Estructural – Enfoques
Diseño
• Diseño Prescriptivo
Estructural
• Diseño por Desempeño
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Diseño Prescriptivo
DISEÑO PRESCRIPTIVO: Satisface estrictamente las especificaciones de la normative respecto a procedimientos de análisis y a propiedades de elementos y sistemas estructurales
Cargas y acciones - Combinaciones de cargas para obtener efectos más desfavorables Procedimientos de análisis - Rigideces y resistencias a considerar Dimensiones mínimas de elementos - Detallamiento del refuerzo Desplazamientos y deformaciones máximas
Diseño por Desempeño DISEÑO POR DESEMPEÑO: Procedimiento de diseño basado en la comprobación, analítica o experimental, que el edificio diseñado alcanza o excede los requerimientos de desempeño especificados en la normativa, de acuerdo a criterios de evaluación aceptados. Aplica, entre otros, a los siguientes casos Edificaciones con materiales, elementos o sistemas no incluidos en las nomas actuales Edificaciones que sobrepasan limitaciones de las normas actuales Edificaciones que, por su naturaleza, deben exceeder las disposiciones mínimas de la normativa Tendencia actual en diseño sísmico
Diseño por Desempeño
13
Diseño por Desempeño - Diseño Sísmico
14
Diseño por Desempeño - Diseño Sísmico
Se realiza un diseño según las disposiciones de las normas prescriptivas, excepto para los aspectos específicos relacionados con el objetivo del diseño.
Por ejemplo, se realiza un diseño para las cargas gravitacionales, definiendo las características mínimas de la estructura sismorresistente
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Diseño por Desempeño - Diseño Sísmico
Capacidad de la estructura se evalúa en términos de algún parámetro de la respuesta estructural, como desplazamiento, deformación de entrepiso, aceleraciones de piso, deformaciones no lineales, fuerzas ,etc., en relación a valores que sean considerados aceptables. 16
Diseño Estructural - Verificación del Desempeño Verificación que se satisface disposiciones de norma (diseño prescriptivo) o que el desempeño esperado alcanzará objetivos definidos (diseño por desempeño) Desempeño se evalúa definiendo Estados Límites, condiciones
tales que al ser sobrepasadas, se considera que el elemento o el sistema estructural deja de cumplir el requerimiento de desempeño
Estados Límites Últimos
Estados Límites de Servicio El Estado Límite quedará garantizado si se verifica, con una confiabilidad aceptable, que la capacidad estructural es superior al efecto de las acciones aplicadas
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Diseño Estructural Estados Límites de Servicio
Situaciones para las que se pierden las condiciones de
funcionalidad, comodidad, durabilidad o de aspecto de la estructura, sin
llegar al colapso 18
• Deformaciones • Agrietamiento • Vibraciones • otros
Diseño Estructural Estados Límites de Servicio
Comprobación Estados Límite de Servicio WSD • Cd Valor admisible del parámetro estructural que define el estado límite (ancho de grieta, amplitud vibraciones, etc.) • Ed
Valor de cálculo del parámetro
C d Ed 19
Diseño Estructural Estados Límites Ultimos
Puesta fuera de servicio de la estructura por colapso parcial o total
• • • •
Pérdida de Equilibrio Rotura Colapso Progresivo Formación de Mecanismo de Colapso • Inestabilidad • Fatiga • otros
Diseño Estructural Estados Límites Ultimos
Comprobación de los Estados Límite Últimos de Rotura LRFD • Rd
Resistencia de diseño (capacidad del sistema estructural)
• Sd
Resistencia requerida (solicitaciones)
Rd Sd 21
Diseño Estructural Seguridad Combinaciones de cargas y resistencias
El margen de seguridad: dado por el término Y = R – S Por definición, la falla ocurre si Y < 0, es decir, S > R
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Diseño Estructural Seguridad Probabilidad de Falla Pf
0
Pf = P [ R S ] P [ Y < 0 ]
fY Y dY
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Diseño Estructural Factores de Seguridad
Para minimizar la probabilidad de falla, considerando la posibilidad que la resistencia sea menor que la calculada y/o que el efecto de las cargas sea mayor que el proveniente del cálculo, se utilizan los factores de seguridad: 1. Factor de reducción de resistencia < 1 2. Coeficiente de mayoración de la carga 1
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Metodologías de Diseño Resistencia Material
Resistencia Nominal N
f’c , fy
Factor de reducción ACI 9.3 de resistencia
U S D
ACI A.3
Factores de tensiones
Tensiones admisibles
Resistencia de Diseño xN
fca, fsa
Resistencia Requerida U
Tensiones de servicio
Factores de mayoración de cargas
ACI 9.2
fc, fs Análisis
Solcitaciones de Servicio Ws (de Códigos)
Cálculo de tensiones
W S D
Metodologías de Diseño Ejemplo
Se requiere diseñar las barras del sistema de la figura
Datos: fy = 2400 kg/cm2
P
= 45º Ppp = 12 T - Psc = 8 T
Metodologías de Diseño Ejemplo Análisis Dadas las características del sistema, las barras trabajan sólo a tensión axial
La fuerza axial en cada barra es:
P N 2 cos
P
Solicitaciones de Servicio Ppp carga de peso propio = 12 T Psc sobrecarga = 8 T
N pp
Ppp 2 cos
8.49
T
Nsc
Psc 5.66 2 cos
T
Metodologías de Diseño Ejemplo WSD Resistencia Material fy fy = 2400 kg/cm2
Tensión Admisible fsa
P
fsa = fy / FS FS: Factor de seguridad definido en código. Se usará FS = 1.67
fsa = 1440 kg/cm2
Metodologías de Diseño Ejemplo WSD Solicitaciones de Servicio N pp 8.49
T
Nsc 5.66
Ns 14.15
T
T
P Sea As = Area sección barra
Ns 14.15 T fs As As
Metodologías de Diseño Ejemplo WSD
fsa fs
DISEÑO En el límite:
fsa fs fy
Ns FS As
P
Despejando se obtiene el área seccional requerida
As
Ns fy FS
14400 As 9.84 2400 1.67
cm 2
Metodologías de Diseño Ejemplo USD
Resistencia Requerida Nu
Nu pp N pp sc Nsc
: factor de mayoración de las acciones (definido en código)
pp 1.2
sc 1.6
P
Nu 19.2
T
Metodologías de Diseño Ejemplo USD Resistencia Nominal N N se calcula con la resistencia nominal fy del material →
N As fy Resistencia de Diseño Nd = x N
P
Nd As fy : Factor de reducción de resistencia (definido en código)
Metodologías de Diseño Ejemplo USD
Nd Nu
DISEÑO En el límite:
Nd Nu
As fy pp N pp sc Nsc
P
Despejando se obtiene el área seccional requerida
pp N pp sc Nsc As fy
19200 As 8 .9 0.9 2400
cm 2
2.2 Normativa Chilena de Diseño de Hormigón Armado
NCh 430 - Historia
Previo a 1983
• NCh429.EOf1957 Hormigón armado Parte I • NCh430.EOf1961 Hormigón Armado Parte II Basadas en Norma DIN 1045
NCh 430 - Historia
1983 Consulta pública a profesionales Ingeniería Estructural
se adopta ACI 318 como norma chilena
Alternativas descartadas: CEB, DIN 10, NZS 3101
NCh 430 - Historia
1993 NCh433.Of1993 Diseño sísmico de edificios adopta ACI 318-89 como norma de cálculo de edificios de hormigón armado
NCh 430 - Historia
1996 NCh433.Of1996 Diseño sísmico de edificios adopta ACI 318-95 como norma de cálculo de edificios de hormigón armado
NCh 430 - Historia
NCh433.Of96 – Anexo B (Referencias Transitorias)
NCh 430 - Historia
NCh433.Of96 – Anexo B (Referencias Transitorias)
NCh 430 - Historia
2008 Se promulga NCh430.Of2008 Hormigón armadoRequisitos de diseño y cálculo
En la práctica, queda sin efecto el artículo transitorio de la NCh433.Of96
NCh 430 - Historia
2010 A consecuencias del sismo del 27F
Decreto 118 Feb 2011: Reglamento que fija los requisitos de diseño y cálculo para el Hormigón Armado Artículo 1°.- El diseño y cálculo de muros especiales de hormigón armado, deberá realizarse de conformidad a las exigencias establecidas en el presente decreto y en lo que no se contraponga con éstas, supletoriamente, por lo establecido en la ACI 318-08.
NCh 430 - Historia
2010
A consecuencias del sismo del 27F
Decreto 118 Feb 2011:
Artículo 3°.- Fíjanse las siguientes disposiciones para el diseño y cálculo de muros especiales de hormigón armado:
NCh 430 - Historia
NCh 430-2010 Las disposiciones contenidas en este documento, tienen como objetivo asegurar que las regiones en muros de hormigón diseñados para proporcionar resistencia sísmica puedan alcanzar rotaciones plásticas bajo condiciones de cargas cíclicas alternantes sin presentar un agotamiento de la capacidad de transferir carga gravitatoria, pero permitiendo una reducción moderada de la resistencia a la flexión
NCh 430 - Historia
De las observaciones de daños en edificios modernos de hormigón armado se detectó la necesidad de: Controlar la dificultad de lograr grandes acortamientos en los bordes de las secciones » » » »
Especificar un espesor mínimo de muros Evitar la congestión de armaduras en los bordes Evitar las fallas por deslizamiento de anclajes Evitar diseños que queden controlados por compresión
Controlar la posibilidad de falla por corte
NCh 430 - Historia
2011
NCh 430 - Historia
2011 » Decreto 60 Dic. 2011:
NCh 430 - Historia
2011 » Decreto 60 Dic. 2011:
NCh 430 - Historia
2011 » Decreto 60 Dic. 2011: » El Decreto 60 incluye todo el contenido de la NCh 430 a fin que sea utilizable en forma independiente » Mantiene las disposiciones para asegurar comportamiento dúctil el flexión, pero abandona las disposiciones de Diseño al Corte por Capacidad en muros
2.3 Resistencia
Resistencia Característica de los Materiales – Acero de Ref. Carga Monotónica
Ensayes
Resistencia Característica de los Materiales – Acero de Ref.
Rm: Resistencia medida Re: Resistencia especificada
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Resistencia Característica de los Materiales - Hormigón
Ensayes
Resistencia Característica de los Materiales Resistencia característica fk Frecuencia
Valor de resistencia con una alta probabilidad de ser sobrepasada, en este caso 5%
fk fm k s
5%
fk
fm
kxs
Resistencia
s : desviación estándar k : depende de la confiabilidad de la muestra (control de calidad)
Resistencia Característica de los Materiales Igual fm - Distinto fk
Resistencia Característica de los Materiales Distinto fm - Igual fk
Resistencia Elementos
Resistencia Nominal Rn : Capacidad de un elemento o sistema estructural obtenida de las resistencias de los materiales y las dimensiones especificadas. Resistencia de Diseño Rd : Capacidad de un elemento o sistema estructural igual a la resistencia nominal Rn multiplicada por un factor de reducción de resistencia que siempre es menor que uno
Rd Rn
Resistencia Elementos Relación entre Momento Experimental y Momento Nominal calculado Mtest / Mn
Existe un grado de incertidumbre producto de la variabilidad de las propiedades de los materiales y de la exactitud de los modelos de cálculo
Resistencia de Diseño ACI 318 – 9.3 Factores de Reducción de Resistencia CASO
Secciones controladas por Tracción (10.3.4 y 9.3.2.7)
0.90
Secciones controladas por Compresión (10.3.3) Elementos con refuerzo en espiral Otros
0.75
Cortante y Torsión
0.75
Aplastamiento en el hormigón (excepto anclajes P/T )
0.65
0.65
Resistencia de Diseño ACI 318 – 9.3 Factores de Reducción de Resistencia
Resistencia de Diseño ACI 318 – 9.3 Factores de Reducción de Resistencia
CASO
Zonas de anclaje de postensado
0.85
Modelos puntal-tensor
0.75
Hormigón estructural simple (flexión, compresión, corte, aplastamiento – Cap 22)
0.60
Longitudes de desarrollo según Cap. 12
--
Resistencia de Diseño ACI 318 – 9.3 Factores de Reducción de Resistencia (a) En cualquier elemento estructural que se diseñe para resistir E, para cortante debe ser 0.60 si la resistencia nominal a cortante del elemento es menor que el cortante correspondiente al desarrollo de la resistencia nominal a flexión del elemento. La resistencia nominal a flexión debe determinarse considerando las cargas axiales mayoradas más críticas e incluyendo E;
(b) En diafragmas para cortante no debe exceder el mínimo para cortante usado para los elementos verticales del sistema primario resistente a fuerzas laterales; (c) En nudos y vigas de acople reforzadas en forma diagonal para cortante debe ser 0.85
2.4 Acciones o Cargas
Acciones o Cargas
Clasificación según
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• Naturaleza • Variación en el tiempo • Variación en el espacio
Acciones o Cargas Según su NATURALEZA
Directas - actúan directamente sobre la estructura
Indirectas acciones impuestas que generan fuerzas de un modo indirecto 65
• Peso Propio • Otras Cargas Permanentes • Sobrecargas de uso, etc.
• • • •
Sismos (movimientos del suelo) Temperatura Asientos de fundaciones Acciones reológicas, etc
Acciones o Cargas
Según su VARIACION EN EL TIEMPO
Acciones Permanentes
• Actúan en todo instante y son constantes en magnitud y posición. Incluyen el peso propio de la estructura y de los elementos y equipamiento fijo a ella
Acciones Permanentes de Valor no Constante
• Actúan en todo instante pero tienen magnitud no constante. Incluyen acciones cuya variación es función del tiempo transcurrido y se producen en un único sentido tendiendo a un valor límite, tales como las acciones reológicas, etc. El pretensado puede considerarse de este tipo.
Acciones o Cargas Según su VARIACION EN EL TIEMPO
Acciones Variables pueden actuar o no sobre la estructura. Incluyen:
Acciones Accidentales posibilidad de actuación es pequeña, pero de gran importancia. Incluyen:
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• Sobrecargas de uso • Acciones climáticas • Acciones debidas al proceso constructivo, etc.
• Impactos • Explosiones • Efectos sísmicos
Acciones o Cargas
Según su VARIACION EN EL ESPACIO
Acciones fijas
• Actúan siempre en la misma posición. Incluyen las acciones debidas al peso propio de los elementos estructurales y funcionales
Acciones libres
• Aquellas cuya posición puede ser variable en la estructura. Incluyen fundamentalmente las sobrecargas de uso
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Acciones o Cargas Dispersión de Valores Curvas típicas de distribución de frecuencias del valor de una sobrecarga de piso
La forma de la curva y sus parámetros estadísticos dependen, entre otros, del tamaño del área de piso en observación
Acciones o Cargas Valores Característicos
Frecuencia
Un valor Fk con una determinada probabilidad de no ser superado durante un período de referencia, que tiene en cuenta la vida útil de la estructura y la naturaleza de la acción (criterios estadísticos)
5%
Fm
70
Fk
Carga
Acciones o Cargas Valores Representativos
Valor utilizado para la comprobación de los Estados Límite • Se obtiene amplificando el valor característico Fk por un factor i
i Fk
• Como valor representativo de las acciones se tomarán los indicados en las Instrucciones o Normas de Acciones o Cargas vigentes
Acciones o Cargas Valores Representativos
Acciones o Cargas Valores Representativos
Acciones o Cargas Valores Representativos
Acciones o Cargas Valores Representativos
Cargas o Acciones Eventuales •
SISMO NCh433 Diseño sísmico de edificios NCh2369 Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales
•
VIENTO: NCh432 Cálculo de la acción del viento sobre las construcciones
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•
NIEVE: NCh431 Construcción - sobrecargas de nieve
•
OTRAS: Según el tipo y uso de la estructura
ACI 318
9.2 Loads
ACI 31808, Seccion 9.2 — ACI 31814, Cap. 5
D:
Peso Propio
L:
Sobrecarga de Servicio
W : Carga por Viento
E:
Acción Sísmica
ACI 318-08
9.2 Loads
ACI 31808, Seccion 9.2 — ACI 31814, Cap. 5
F:
Empujes de Líquidos
H:
Peso y Empuje de Suelo
Lr :
Sobrecarga de Techo
R:
Carga por Lluvia
S:
Carga por Nieve
T:
Efectos de Temperatura, Asentamientos, Cambios volumétricos
Acciones o Cargas Valores de Cálculo
Producto del valor representativo por un coeficiente parcial de seguridad
Fd = f i Fk •
Fd
Valor de cálculo de la acción F
• f Coeficiente parcial de seguridad de la acción considerada
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Acciones o Cargas Combinaciones
Conjunto de acciones compatibles que se considerarán actuando simultáneamente para una comprobación determinada
Fu =
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f i Fk
Acciones o Cargas Combinaciones
Acciones o Cargas Combinaciones
ACI 318-08
9.2 Primary Load Combinations
Loads Peso Propio (D) y Sobrecarga (L)
Required Strength 1.4D 1.2D + 1.6L 1.2D + 0.8W
Peso Propio (D), 1.2D + 1.0L + 1.6W Sobrecarga (L) y Viento(W) 0.9D + 1.6W 1.2D + 1.0L + 1.0E Peso Propio (D), Sobrecarga (L) y Sismo (E) 0.9D + 1.0E
E = Fuerzas sísmicas correspondientes al nivel de resistencia
ACI 318-08
9.2 Primary Load Combinations
E = Fuerzas sísmicas correspondientes al nivel de resistencia El reglamento exige el uso del factor de carga antiguo para las cargas por sismo, de aproximadamente 1.4, cuando se usan las fuerzas sísmicas correspondientes a los niveles de servicio de las ediciones anteriores de los reglamentos anteriormente referidos
ACI 318-08
9.2 Complete Load Combinations
U = 1.4(D + F )
(9-1)
U = 1.2(D + F + T) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr o S o R)
(9-2)
U = 1.2D + 1.6(Lr o S o R) + (1.0L o 0.8W)
(9-3)
U = 1.2D + 1.6W + 1.0L + 0.5(Lr o S o R)
(9-4)
U = 1.2D + 1.0E + 1.0L + 0.2S
(9-5)
U = 0.9D + 1.6W + 1.6H
(9-6)
U = 0.9D + 1.0E + 1.6H
(9-7)
ACI 318-14 — Cap. 5
Disposiciones sobre combinaciones de cargas en Sección 5.3
Estados de Carga Análisis ACI 318˗14
Estados de Carga Análisis Carga permanente PP = 2000 kg/m PP viga + Descarga desde losa u otro elemento
Carga Variable y Libre SC = 1300 kg/m Descarga desde losa u otro elemento A efectos de análisis se considera que puede estar en c/u de las luces o en ambas simultáneamente
Estados de Carga Análisis Fuerzas Internas PP
PP: descarga desde losa u otro elemento [Kg/m]
Diagrama de Momento Flector M [Kg-m]
Diagrama de Fuerza de Corte V [T]
Estados de Carga Análisis Fuerzas Internas SC
SC en luz lado izquierdo
SC en luz lado derecho
Estados de Carga Análisis Fuerzas Internas Combos
DM: 1.2 PP + 1.6 SC1
DM: 1.2 PP + 1.6 SC2
DM: 1.2PP + 1.6(SC1+SC2)
DV: 1.2 PP + 1.6 SC1
DV: 1.2 PP + 1.6 SC2
DV: 1.2PP + 1.6(SC1+SC2)
91
92
Hasta aqui
Principios básicos - Diseño Sismorresistente
Ingeniería Básica quedarán plasmados de forma preliminar todos los requerimientos del usuario, las especificaciones básicas, el tiempo o cronograma y principalmente un panorama del costo final. En esta parte del desarrollo se definen los siguientes aspectos: • Programa de necesidades o requerimientos • Anteproyecto (Distribución de espacios arquitectónicos) • Superficie aproximada de construcción • Planteamiento inicial del criterio de la estructura a utilizar (estructura metálica, concreto armado, prefabricada, tipo de cimentación, etc) • Criterio básico de instalaciones de cada una de las especialidades (eléctricas, hidráulicas, sanitarias, voz y datos, CCTV, etc) • Sistemas constructivos alternativos para su ejecución • Definición más precisa de la ubicación, lo cual puede variar posteriormente, por normas. • Revisión del área física requerida. • Revisión de los planos de equipos, en función del espacio físico requerido y de las normas. • Cálculos preliminares de cada sistema (hidráulico, eléctrico, estructural, etc.). • Estimados de costo, el cual se hace a partir de los cómputos mencionados anteriormente.
95
Principios básicos - Diseño Dimensionamiento de la estructura y sus elementos para resistir las acciones Materiales
Resistencias especificadas
Dimensiones Geométricas
Dimensiones seccionales especificadas
Arquitectura
Diseño Refuerzo
Cuantías de Refuerzo
Detallamiento del Refuerzo
Principios básicos - Diseño Estructural
Dimensionamiento y detallamiento de la estructura y sus
• Requerimientos de Seguridad y Estabilidad • Resistencia • Estabilidad
elementos para resistir las
acciones a que estará sometida durante su vida útil 97
• Requerimientos de Servicio • Deformaciones - Deflexiones • Vibraciones • Agrietamiento • Otros
Diseño Diseño por Desempeño
98
Diseño por Desempeño
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Principios básicos •COMPORTAMIENTO: respuesta de la estructura y sus elementos ante solicitaciones •ANALISIS: Determinación de la respuesta de la estructura (fuerzas y desplazamientos) mediante modelos matemáticos basados en los principios del comportamiento •DISEÑO: Dimensionamiento de la estructura y sus elementos para resistir las acciones
Metodologías de Diseño Diseño a Tensiones Admisibles (Working Stress Design WSD)
• Considera cargas o acciones a nivel de servicio • Se verifica que esfuerzos resultantes no sobrepasen valores admisibles
Diseño a Resistencia Ultima (Ultimate Strength Design USD)
• Considera cargas últimas • Se verifica que acciones mayoradas no sobrepasen resistencias
Diseño a Estados Límite (Limit State design LSD)
• Considera estados límite últimos y de servicio
Diseño por Desempeño (Performance based design PBD)
