Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Análisis Estructural 1 Sección: “N” Cat: Ing. Ronald Galindo
Cargas vivas y cargas muertas más comunes
Max E. Estrada H. 200611187 Guatemala 4 de febrero de 2011
Introducción
Las cargas que soporta un edificio se clasifican en muertas, vivas y accidentales (de viento y sísmica). Las cargas muertas incluyen el peso del mismo edificio y de los elementos mayores del equipamiento fijo. Siempre ejercen una fuerza descendente de manera constante y acumulativa desde la parte más alta del edificio hasta su base. Las cargas vivas comprenden la fuerza del viento, las originadas por movimientos sísmicos, las vibraciones producidas por la maquinaria, mobiliario, materiales y mercancías almacenadas y por máquinas y ocupantes, así como las fuerzas motivadas por cambios de temperatura. Las cargas sísmicas son cargas inerciales causadas por movimientos sísmicos, estas pueden ser calculadas teniendo en cuenta las características dinámicas del terreno, de la estructura (amortiguamiento masa y rigidez), y las aceleraciones esperadas. TIPOS DE CARGAS
Cargas vivas Las cargas vivas son cargas no permanentes producidas por materiales o articulo, e inclusive gente en permanente movimiento. Cabinas, particiones y personas que entran y salen de una edificación pueden ser consideradas como carga vivas. Las cargas vivas son producidas por el uso y ocupación de la edificación y no deben incluir cargas ambientales tales como viento, sismo, ni la carga muerta. Consta principalmente de cargas de ocupación en edificios, estas pueden estar aplicadas total o parcialmente o no estar presentes y también es posible cambiarlas de ubicación. Su magnitud y distribución son inciertas en determinado momento, y además sus máximas intensidades a lo largo de la vida útil de la estructura no se conocen con precisión. Son cargas variables en magnitud y posición debidas al funcionamiento propio de la estructura. Pueden ser causadas por los pesos de los objetos colocados temporalmente sobre una estructura, por ejemplo: • Personal. • Mobiliario. • Empujes de cargas de almacenes.
Las cargas mínimas especificadas en los códigos se determinan estudiando la historia de sus efectos sobre estructuras existentes. Usualmente esas cargas incluyen un margen para tener una protección contra deflexiones excesivas o sobrecargas repentinas. Se supone que los pisos de edificios están sometidos a cargas vivas uniformes, que dependen del propósito para el cual el edificio es diseñado. Estas cargas están tabuladas en códigos locales, estatales o nacionales. Un ejemplo representativo de esas cargas mínimas uniformes, tomadas del American Standard Building Code, se muestran en la tabla. Estos valores se determinaron con base en la historia de carga de varios edificios. Ellos incluyen márgenes contra la posibilidad de sobrecarga debido a cargas de construcción y requisitos de servicio. Además de las cargas uniformes, algunos códigos especifican cargas vivas concentradas mínimas, causadas por carretillas, automóviles, etc. Por ejemplo, cargas vivas, tanto uniformes como concentradas deben considerarse en una losa de un estacionamiento para automóviles. Las cargas vivas en las cubiertas son aquellas causadas por: a. Materiales, equipos y trabajadores utilizados en el mantenimiento de la cubierta y b. Durante la vida de la estructura las causadas por objetos móviles y por las personas que tengan acceso a ellas.
Para simplificar los cálculos las cargas vivas son expresadas como cargas uniformes aplicadas sobre el área de la edificación.
CARGAS EN EDIFICIOS. Los pisos de edificios están sometidas a cargas vivas uniformes, que dependen del propósito para el cual el edificio está diseñado. Esas cargas están tabuladas en códigos locales, estatales o nacionales. Para algunos tipos de estructuras, muchos códigos permiten una reducción en la carga viva uniforme para un piso, ya que es improbable que la carga viva prescrita se presente simultáneamente en la estructura entera en un momento dado. Por ejemplo, ANSI A58.1-1982, permite una reducción de la carga viva en un miembro que tenga un área de influencia de 400 ft2 o mayor. CÁLCULO DE LA CARGA VIVA REDUCIDA L = L O (0,25 + 15/sqr(A I )) donde: L es la carga viva de diseño reducida por pie cuadrado de área soportada por el miembro. L O es la carga viva de diseño no reducida por pie cuadrado de área soportada por el miembro. A I es el área de influencia por pie cuadrado igual a cuatro veces el área de piso tributaria o portadora de carga efectiva para una columna; y a dos veces, en el caso de una viga. * Está limitada a no menos que 50% de Lo para miembros que soportan un piso o a no menos de un 40% de Lo para miembros que soportan más de un piso. No se permiten reducciones para estructuras usadas para reuniones públicas, garages o techos. CARGAS DE PUENTES. Están especificados mediante códigos, tanto los puentes carreteros como los ferroviarios. Se dan las cargas y la separación de las ruedas de diferentes tipos de camiones y trenes. Para el diseño, una serie de tales cargas se colocan una junto a la otra dentro de regiones críticas del puente y se calculan los esfuerzos máximos por carga viva en los miembros. Además, como los vehículos están en continuo movimiento, cualquier rebote que ocurre implica un impacto de las cargas sobre el puente, por lo que se debe incrementar la carga viva máxima. CARGAS DE VIENTO. Cuando las estructuras impiden el flujo del viento, la energía cinética de éste se convierte en energía potencial de presión, lo que causa la carga de viento. El efecto del viento depende de la densidad y velocidad del aire, ángulo de incidencia, forma y rigidez de la estructura y de la rugosidad de la superficie. En el procedimiento estático, la fluctuación de la presión causada por un viento soplando continuamente se aproxima por una presión media que actúa sobre los lados de barlovento y sotavento de la estructura. La presión q se calcula, dependiendo de la velocidad del viento como: q [psf] = 0,00256 (v [mi/h])2 Una vez calculada la presión media q del viento, su magnitud se multiplica por varios coeficientes para obtener la presión estática p de diseño aplicada a la estructura. Por ejemplo, para un edificio con lados verticales, el factor de forma para el lado de barlovento (presión o empuje) es 0,8 y para el de sotavento (succión o tensión) 0,5. Para edificios altos o cuya forma o localización se hace sensible al viento, se recomienda usar un procedimiento dinámico. CARGAS DE SISMO. Los sismos producen cargas sobre una estructura por medio de la interacción del movimiento del suelo y las características de respuesta de la estructura. Para estructuras pequeñas, se puede utilizar un análisis estático, que determina el “cortante basal” V en la estructura como: V = ZIKCSW Donde se utilizan factores tabulados: Z depende de la zona sísmica, I de la importancia del edificio respecto a la ocupación, K de su configuración estructural, C de sus características vibratorias, S del tipo de suelo que soporta la estructura y W del peso de ésta.
CARGAS VIVA DE PISO a) Cargas Vivas Mínimas Repartidas por ocupación ó uso (en kg/m2) Almacenaje (ver nota 1) Baños (ver nota 2) Bibliotecas (ver nota
500.00
1) Salas de lectura Salas de Almacenaje Corredores y escaleras
300.00 750.00 400.00
Aulas Talleres (ver nota 1) Laboratorios Corredores y escaleras
300.00 350.00 300.00 400.00
Para parqueo exclusivo de automóviles con altura de entrada menor de 2.40 m. Para otros vehículos (ver nota 1)
250.00
Salas de operación, laboratorios y áreas de servicio Cuartos Corredores y escaleras
300.00 200.00 400.00
Cuartos Almacenaje y servicios Corredores y escaleras Industria (ver nota 1)
200.00 500.00 400.00
Centros de Educación
Garajes
Hospitales
Hoteles
Instituciones Penales
Zona de habitación Corredores y escaleras
Lugares de Asamblea
Con asientos fijos Con asientos móviles Salones de baile, restaurantes, museos, gimnasios Graderías y tribunas Corredores y escaleras Oficinas
Exceptuando salas de archivo y computación Salas de archivo Salas de computación Corredores y escaleras Teatros
Vestidores Cuarto de proyección Escenario Tiendas (ver nota 1) Corredores y escaleras Viviendas
Corredores y escaleras
200.00 400.00 300.00 400.00 400.00 500.00 500.00 250.00 500.00 350.00 400.00 200.00 500.00 750.00 500.00 500.00 200.00 200.00
Notas:
1) Para determinar si la magnitud de la carga viva real es conforme con la carga viva mínima repartida, se hará una aproximación de la carga viva repartida real promediando la carga total que en efecto se aplica sobre un área rectangular representativa de 15 metros cuadrados que no tenga ningún lado menor a 2.50 metros.} 2) Igual a la carga principal del resto del área
b)
Carga Viva Concentrada: Cuando exista una carga viva concentrada, se colocará la carga viva repartida
establecida en la tabla anterior de manera que se produzcan los esfuerzos máximos. Los pisos que soporten cualquier tipo de maquinaria u otras cargas vivas concentradas en exceso de 500 Kg (incluido el peso de los apoyos o bases), serán diseñados para poder soportar tal peso como una carga concentrada o como grupo de cargas concentradas. Cuando exista una carga viva concentrada, se puede omitir la carga viva repartida en la zona ocupada por la carga concentrada.
CARGA VIVA PARA ACERAS, PISTAS, BARANDAS, PARAPETOS Y COLUMNAS EN ZONAS DE ESTACIONAMIENTO Aceras y pistas: Todas las aceras y pistas o partes de las mismas que no se apoyen sobre el suelo se diseñarán
para una carga mínima repartida de 500 kg/m2. Cuando las aceras y pistas estén sujetas a la carga de rueda de camiones, intencional o accidentalmente, se diseñarán tales tramos de aceras o pistas para la carga vehicular máxima que se pueda imponer; las cargas mínimas y su distribución cumplirán con los requisitos aplicables a puentes carreteros.
Barandas: Las barandas y parapetos alrededor de los pozos para escaleras, balcones y techos en general, con
exclusión de las ubicadas en teatros, lugares de asamblea y viviendas unifamiliares, serán diseñados para resistir la aplicación simultánea de una fuerza horizontal y una vertical de 60 kg/mt, aplicadas en su parte superior. Las barandas y parapetos de los balcones de teatros y lugares de asamblea serán diseñados para una fuerza horizontal de 75 kg/mt y una vertical de 150 kg/mt, aplicadas en su parte superior Las barandas y parapetos en viviendas unifamiliares se diseñarán para una fuerza horizontal y una vertical de 30 kg/mt, aplicadas en su parte superior La fuerza horizontal total y la fuerza vertical total en todos los casos serán de por lo menos 100 kg cada una Cuando las barandas y parapetos soporten equipos o instalaciones se tomarán en cuenta las cargas adicionales que éstos impongan Las barandas, parapetos o topes que se usan en zonas de estacionamiento para resistir el impacto de los vehículos en movimiento, serán diseñados para soportar una carga horizontal de 500 kg/mt, aplicada por lo menos 60 cm encima de la pista; pero en ningún caso esta carga será inferior a los 1,500 kg/vehículo.
Columnas en zonas de estacionamiento: De no protegerse de manera especial, las columnas en las zonas de
estacionamiento o que estén expuestas a impacto de vehículos en movimiento, serán diseñadas para resistir la carga lateral debida al impacto de vehículos; para los vehículos de pasajeros, esta carga será como mínimo 1,500 kg aplicada por lo menos 60 cm encima de la pista
CARGA VIVA DEL TECHO Cargas vivas mínimas: Para los techos con una inclinación hasta de 3° con relación a la horizontal, 100 kg/m2.
Para los techos con inclinación mayor de 3°, 100 kg/m2, reducida en 5 kg/m2 por cada grado de pendiente por encima de 3° hasta un mínimo de 50 kg/m2. Para techos curvos, 50 kg/m2. Para techos con coberturas livianas de asbesto cemento, calamina, fibrocemento o tela para toldos y doseles, cualquiera sea su pendiente, 30 kg/m2, excepto cuando puede haber acumulación de nieve, en cuyo caso la carga será establecida por el proyectista, justificándola ante las autoridades competentes.
Cargas concentradas: Cuando exista una carga viva concentrada, se colocará la carga viva repartida establecida
en la tabla anterior de manera que se produzcan los esfuerzos máximos. Los pisos que soporten cualquier tipo de maquinaria u otras cargas vivas concentradas en exceso de 500 Kg (incluido el peso de los apoyos o bases), serán diseñados para poder soportar tal peso como una carga concentrada o como grupo de cargas concentradas. Cuando exista una carga viva concentrada, se puede omitir la carga viva repartida en la zona ocupada por la carga concentrada.
Cargas especiales: Si se trata de malecones o terrazas se aplicará la carga viva mínima correspondiente al uso
particular, según la tabla correspondiente a cargas mínimas repartidas de piso. Cuando los techos tengan jardines, la carga viva mínima de diseño de las porciones con jardín será de 100 kg/m2. El peso de los materiales del jardín será considerado como carga muerta y se hará éste computo sobre la base de tierra saturada. Las zonas adyacentes de las porciones con jardín serán consideradas como áreas de asamblea, a no ser que hayan disposiciones específicas permanentes que impidan su uso. Cuando se coloque algún anuncio o equipo en un techo, el diseño tomará en cuenta todas las acciones que dicho anuncio o equipo ocasionen.
Cargas muertas
Son aquellas que se mantienen en constante magnitud y con una posición fija durante la vida útil de la estructura; generalmente la mayor parte de las cargas muertas es el peso propio de la estructura. Es que puede calcularse con buena aproximación a partir de la configuración de diseño, de las dimensiones de la estructura y de la densidad del material. Para edificios, por lo general se toman como cargas muertas, rellenos, acabados de entrepisos y cielos rasos, y se deja un margen para tener en cuenta cargas suspendidas como conductos, aparatos y accesorios de iluminación, etc. Consisten en los pesos de los diversos miembros estructurales y en los pesos de cualesquiera objetos que estén permanentemente unidos a la estructura, entre otros: • Columnas • Vigas • Trabes • Losas • Muros • Ventanas • Plomería • Instalaciones eléctricas y sanitarias
Incluye el peso de todos los elementos estructurales basados en las dimensiones de diseño (peso propio) y el peso permanente de materiales o artículos, tales como: paredes y muros, cielos rasos, pisos, cubiertas, escaleras, equipos fijos y todas las cargas que no son causadas por la ocupación del edificio. Son cargas que tendrán invariablemente el mismo peso y localización durante el tiempo de vida útil de la estructura. La carga muerta cubre todas las cargas de elementos permanentes de construcción incluyendo su estructura, los muros, pisos, cubiertas, cielos rasos, escaleras, equipos fijos y todas aquellas cargas que no son causadas por la ocupación y uso de ia edificacón Las fuerzas netas de preesfuerzo deben incluirse dentro de la carga muerta.
CARGAS MUERTAS MINIMAS: Al calcular las cargas muertas deben utilizarse las masas reales de los materiales
Debe ponerse especial cuidado en determinar masas representativas en este cálculo Pueden usarse como guía los siguientes valores mínimos' Entrepisos de madera (entresuelo, listón, arriostramientos y cielo raso pañetado) 1.20 kN/nr^ (120 kgf/m2) Pisos de baldosín de cemento 1 -00 kN/m^ (100 kgf/m2) Placa ondulada de asbesto cemento 0.18 kN/m (18 kgf/m ) Canaleta 43 0.30 kN/m* (30 kgf/m2) 2 Canaleta 90 0.22 kN/m (22 kgf/m2) Teja de lámina galvanizada (zinc) 0.05 kN/m (5 kgf/m2) Teja de aluminio 0 02 kN/m (2 kgf/m2) Teja de barro (incluido el mortero) 0.80 kN/rn^ (80 kgf/m2) Alistado en cubiertas de concreto por mm de espesor 0.022 kN/m (2.2 kgf/m) Impermeabiiización 0.15 kN/m (15 kgf/m2) 2 Cielos rasos livianos pegados a la losa 0.05 a 0.10 kN/m (5 a10 kgf/m2) Cielos rasos de yeso, suspendidos 0 25 kN/m (25 kgf/m ) 2 Cielos rasos de madera 0.10 a 0 50 kN/m (10 a 50 kgf/m ) Cielos rasos de malla y pañete 0.80 a 1.00 kN/m2 (80 a100 kgf/m2) Para otros productos debe utilizarse el peso especificado por el fabricante o a falta de éste, debe evaluarse analítica o expenmentalmente.
FACHADAS, MUROS DIVISORIOS Y PARTICIONES FACHADAS - La carga muerta causada por las fachadas de la edificación debe evaluarse como una carga por
metro lineal sobre el elemento estructural de soporte al borde de la losa, o como una carga concentrada en el extremo exterior cuando se trate de elementos en voladizo. Pueden emplearse los siguiente valores minimos. por m2 de área de fachada alzada Fachadas en ladrillo tolete a la vista y pañetado en el interior ............................. 3.00 Fachadas en ladrillo tolete a la vista, más muro adosado en bloque de perforación horizontal de arcilla de 100 mm de espesor, pañetado en el interior.............. 4.50 Fachadas bloque de perforación horizontal de arcilla de 120 mm de espesor, pañetado en ambas caras ............................................................................ 2.00 Ventanas incluye el vidrio y el marco ................................................................... 0.45 Lámina de yeso de 16 mm {5/8") protegida, al exterior, costillas de acero y lámina de yeso de 10 mm al interior .............................................................. 1.00 Lámina de yeso de 16 mm {5/8") protegida, mas enchape cerámico al exterior, costillas de acero y lámina de yeso de 10 mm al interior ............................... 2.50 Enchapes en granito; adicional a la fachada, por cada mm de espesor del enchape............................................................................ 0 017/mm Enchapes en mármol, adicional a la fachada, porcada mm de espesor del enchape ............................................................................. .............................................................................................................. 0.015/mm Enchapes en piedra arenisca; adicional a la fachada, por cada mm de espesor del enchape ............................................................................. ............................................................................................................... 0.013/mm Enchape cerámico, adicional a la fachada ........................................................... 1.50
kN/mz (300 kgf/m2) kN/m2 (450 kgf/m2) (200 kN/m2 2) {45 2 kgf/m kN/m kgf/m2) kN/m2 (100 kgf/m2) kN/m2 (250 kgf/m2) kN/m2 (1.7/mm kgf/m2) 2
(1,5/mm kgf/m2)
kN/m2 (1.3/mm kN/m' kgf/mz) (150 kgf/nrf)
DIVISIONES Y PARTICIONES DE MATERIALES TRADICIONALES - La carga muerta producida por muros
divisorios y particiones de materiales tradicionales, cuando éstos no hacen parte del sistema estructural, debe evaluarse para cada piso y se puede utilizar como carga distribuida en las placas Si se hace dicho análisis, éste debe figurar en la memoria de cálculos y además debe dejarse una nota explicativa en los planos. Cuando no se realice un anáfisis detallado pueden utilizarse, como mínimo, 3.0 kN/m 2 {300 kgf/m2) de área de placa, cuando se trate de muros de ladrillo bloque hueco de arcilla o concreto y 3.5 kN/m 2 (350 kgf/m ) de área de placa, cuando se trate de muros de ladrillo macizo, tolete, de arcilla, concreto o silical Estos valores hacen referencia a alturas libres de entrepiso de 2.20 m, cuando haya una mayor altura libre deben utilizarse valores proporcionales a la mayor altura. Cuando el muro haga parte del sistema estructural su peso debe contabilizarse dentro del peso propio del elemento y se exime de tener que usar los valores mínimos dados DIVISIONES LIVIANAS - La carga muerta producida por muros divisorios y particiones livianas, debe evaluarse
para cada piso y se puede utilizar como carga distribuida en las placas. La determinación de la carga muerta debe incluir los elementos de soporte y el espesor de tas láminas de material de acabado en ambos costados de la división Cuando el diseño se realice para estas divisiones livianas, debe colocarse una nota al respecto tanto en los planos arquitectónicos como en los estructurales Pueden emplearse los siguiente valores minimos, pero en ningún caso se puede emplear menos de 0.5 kN/m 2 (50 kgf/m2) de área de placa. Los valores están definidos para alturas libres de entrepiso de 2.20 m, cuando haya una mayor altura libre deben utilizarse valores proporcionales; Divisiones móviles de media altura (0.40 kN/m 2, pero debe utilizarse el mínimo) ...... 0.50 kN/m2 (50 kgf/m2) Lámina de yeso de 13 mm (1/2") en cada costado y costillas de acero o de madera, agregar 0.04 kN/m2 (4 kgf/m2) por cada mm adicional de espesor de la lámina . ... 0.90 kN/m2 2 (90 kgf/m ) Lámina de madera protegida y costillas de madera, pañetado sobre malla ............. 2.00 kN/m2 (200 kgf/m2) EQUIPOS FIJOS
Dentro de las cargas muertas deben Incluirse la masa correspondiente de todos los equipos fijos que estén apoyados sobre elementos estructurales tales como ascensores, bombas hidráulicas, transformadores, equipos de aire acondicionado y ventilación y otros
ACABADOS
La carga producida por los acabados de los pisos debe evaluarse para los materiales que se van a utilizar en cada uno de los pisos de la edificación. El valor que se utilice en terrazas y azoteas debe tener en cuenta los pendientados que se coloquen. Cuando no se realice un análisis detallado, puede utilizarse 1.5 kN/m 2 (150 kg/m ) en pisos y terrazas. CONSIDERACIONES ESPECIALES
Los profesionales que participen en el diseño y la construcción y el propietario de la edificación deben ser conscientes de los valores de la cargas muertas utilizados en el diseño y tomar las precauciones necesarias para verificar en la obra que los pesos de los materiales utilizados no superen los valores usados en el diseño. MASA DE LOS MATERIALES
Al calcular las cargas muertas deben utilizarse las densidades de masa reales de matenales. Pueden usarse como guía los valores mínimos siguientes: Material
Densidad
Material
Densidad
Acera
7 800 kg/m3
Madera, densa, seca
750 kg/m3
Agua dulce
1 000
Madera, densidad baja, seca
450
Agua marina
1 030
Madera, densidad media, seca
600
Aluminio
2 700
Mampostero de ladrillo hueco
1 300
Asfalto
1 300
Manipostería de ladrillo macizo
1 800
Baldosín cerámico
2 400
Manipostería de piedra
2 200
Cal, hidratada, compacta
730
Manipostería de concreto
2 150
Cal, hidratada, suelta
500
Mortero de inyección para mampostera
2 250
Carbón (apilado)
800
Mortero de pega para manipostería 2 100
Cobre
9 000
Plomo
11 400
Concreto Reforzado
2 400
Tierra- Arcilla y grava, seca
1 600
Concreto Simple
2 300
Tierra Arcilla, húmeda
1 750
Enchape Arenisca
1 350
Tierra: Arcilla, seca
1 000
Enchape Granito
1 550
Tierra. Arena y grava, húmeda
i
1 900
Enchape Mármol
1 500
Tierra: Arena y grava, seca, apisonada
1 750
Escoria
1 550
Tierra Arena y grava, seca, suelta
1 600
hielo
920
Tierra: Limo, húmedo, apisonado
1 550
Ladrillo de Arcilla, absorción baja
2 000
Tierra: Limo, húmedo, suelto
1 250
Ladrillo de Arcilla, absorción media
1 850
Vidrio
2 560
Ladrillo de Arcilla, absorción alta
1 600
Yeso, suelto
1 150
Madera, laminada
600
Yeso, tablero para muros
800
Bibliografía
http://www.ingesite.com/pdf/pdfinfo/Cvivas.pdf
http://www.slideshare.net/mdm/cargas-194822
http://www.eird.org/cd/building-codes/pdf/spa/doc13281/doc13281-3b.pdf
http://www.arqhys.com/arquitectura/cargas-estructurales-tipos.html
