Combinaciones Basicas de Diseño ASCE-7

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INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO - IDU

4.

CARGAS APLICABLES Y SUS COMBINACIONES

En este capítulo se describen los diferentes tipos de cargas a ser tenidas en cuenta en los análisis, sus métodos de evaluación, y las diferentes combinaciones que aplican a los diseños de las Estructuras.

4.1

CARGAS MUERTAS

Corresponden al peso de los elementos permanentes de las estructuras, como su peso propio, y el peso de otros elementos que permanecerán fijos durante la vida útil. En la evaluación de estos pesos se consideran los siguientes pesos unitarios de materiales: Peso unitario

Material

( ) / 3 T o n m

Concreto reforzado Concreto simple

2,30

Concreto ciclópeo

2,30

2,40

7,80

Acero

2,40

Pavimento asfáltico

Agua Agua

1,00

1,80 a 2,00

Materiales de Relleno Mampostería de ladrillo hueco

1,30

Mampostería de ladrillo macizo

1,80

Mampostería de piedra

2,20

Los pesos de otros posibles materiales que pudieran aparecer, serán indicados en la memoria de cada estructura, explicando su origen.

En el caso de edificaciones, además de las cargas de peso por unidad de volumen descritas anteriormente, se consideran las siguientes cargas muertas mínimas por unidad de área, de acuerdo con la NSR-98: Tipo de carga

Carga por unidad de área (Ton/m2)

Pisos en Baldosín

0,10

Cubiertas en Teja de A.C.

0,018

Cubiertas en Tejas Metálicas Impermeabilizaciones

0,015

Muros y particiones en unidades huecas

0,30

CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7 5 G C71AKT-

0,005 a 0,01

0-R1 .doc

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Muros y particiones en unidades macizas

0,35

Ventanas Fachadas en ladrillo macizo y pañete

0,08 0,30

Dentro de las cargas muertas se incluyen también los pesos de todos los equipos fijos que estén apoyados sobre las estructuras, y la evaluación de las cargas en cada caso particular corresponde a la información suministrada por los fabricantes de los equipos. Además de las cargas de peso, en forma separada, se han de considerar las cargas que produzcan los movimientos de estos equipos, dentro de la evaluación de cargas vivas.

CARGAS VIVAS

4.2

Corresponden básicamente a cargas gravitacionales que pueden variar durante la construcción u operación de las estructuras, y que por ser de naturaleza variable, debe considerarse en el diseño su existencia o no, para determinar las condiciones de diseño críticas.

Para cargas de peatones en estaciones, la carga viva uniforme considerada será de 500 2 kg/m . Esta carga se prescribe en la norma NSR-98, y aplica tanto a áreas de reunión como a circulaciones.

4. 3

CARGAS DE VIENTO

Para la evaluación de las cargas de viento que actúan sobre las estructuras del tipo edificaciones, se hará uso de la metodología descrita en la norma NSR-98, Capítulo B-6, para una velocidad de viento básico de 80 kilómetros por hora, de acuerdo con el mapa a la región 2, donde se localiza la é d t o r c s p n e de amenaza eólica de Colombia, i ciudad de Bogotá. En los cálculos se usará el denominado Análisis Completo, que establece la fuerza de viento de diseño con la siguiente ecuación: Vs = SV

I

S

3 2 S

Donde:

corresponde al coeficiente de Topografía, que se adopta de manera conservativa como S 1 =1.10, usado en el caso de valles donde debido a su forma se concentra el S1

viento.

es el coeficiente de rugosidad del terreno, función de la cantidad de obstáculos y de la altura y el revestimiento de las edificaciones. En general, para las estaciones se establece S 2

un nivel de Rugosidad3, y una clase de revestimiento clase B. Con base en estos

valores, dependiendo de la altura de cada edificación, se leerá el coeficiente S2 de la tabla B.6.5-2 de la NSR-98. En general las edificaciones de las estaciones no excederán los 15 metros de altura, para las cuales, S2=0.83 CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7 K T 1 C A G 0 R d 7 5 c o - .

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es un coeficiente que tieneen cuenta el grado de seguridady la vida útil de la

S 3

estructura y su uso. Dado que las estaciones hacen parte de un grupo de uso especial, se adopta un coeficiente S3=1.05

Con estos parámetros, la Velocidad de diseño calculada para las edificaciones de las estaciones será Vs=77 kph.

La velocidad de viento de diseño se convierte a presión dinámica, q, en kN/m2 con la ecuación: q =

2 0 8 s V . 4

S4

corresponde un coeficiente relacionado con la densidad del aire, función de la altura sobre el nivel del mar. Para la altitud de Bogotá, S4=0.73 S 4

Con estos valores, se obtiene que la presión dinámica para los análisis de viento de las estaciones será de q=0.208 kN/m2, es decir, 20.8 kgf/m2.

Con este valor de presión dinámica, se procede a establecer los coeficientes de presión y de fuerza aplicables a cada estructura particular, según su forma, sus dimensiones, la configuración de cubiertas, etc. Esta evaluación corresponde a cada cálculo particular, y se debe hacer según las indicaciones de las tablas B.6.7-1 a B.6.7-8 de la NSR-98.

Se hacen consideraciones especiales relacionadas con el uso de estructuras abiertas o parcialmente abiertas, con voladizos, y con características que puedan producir efectos adversos sobre las estructuras en conjunto, o sobre los elementos individuales.

4.4

CARGAS DE SISMO

Las cargas sísmicas para análisis de cualquier estructura son función de la masa asociada al sismo (carga muerta mas alguna proporción de la carga viva), del Espectro .

de Diseño Sísmico adoptado, y de la capacidad de disipación de energía de la estructura. En forma general, a S

F H =

W , siendo W el peso de los elementos asociados al sismo, Sa la

ordenada del espectro, y R el coeficiente de disipación de Energía. En general, todo espectro de aceleraciones se define como una ecuación dependiente del Período. Para determinar el espectro se usarán los datos de amenaza local aplicables a cada estructura, el coeficiente de importancia, y el coeficiente de sitio. En la evaluación de las cargas sísmicas se utilizan espectros de diseño locales, definidos el Decreto Distrital 193 de 2006. Se hace uso de espectros provenientes de estudios previos de amenaza sísmica local ya aceptados por la DPAE. Se tienen en cuenta además las consideraciones del Decreto 623 del 2006, donde se indican los espectros CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7 c o 5 d 0 G \ C.-17 RKT:

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sri

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para T<2.5 segundos. En general, las edificaciones diseñadas cumplirán este requisito, de modo que se adopta este espectro

Se indican a continuación los espectros del Decreto Distrital 623 de 2006: Tabla

I L M A S R T C P O N 2. E

SEGUNDOS *

T 2 . ‹ DISEÑO VALIDOS PARA 5

X y

ETNOMDI P

0.20

0.20

„ o T , . c T

U i l .

a . sA

.aF

F v „

Espectro de s a o i d

1 . 0 0

2.80

ZONAS 5A / 5B1 TERRAZAS 0 5 . 0

1.80

0 6.1

0.13 0.16 1.00 3.60

0.16 0.20 1.00 3.20

de

para al crítico de 5% e d Wi~ u

d i u r e o

l i a r e n

p

, + (Amarro)

S a = 2.5 mA

1 id

i

B

T C A E L U S R

0.20 0.25

o t n e i a u l r s

A ( n r

4

0.50

1.40

0.24 0.30 1.00 1.80

0.24 1.00 1.60

ZONA

0 5 .0

0 90.

0.19

A s „ i ,

ZONAS 3 LACUSTRE A

ZONA 2A, 2B

ZONA 1 CERROS

I

)"1 (2.5F e1-a

. , Fe. 1

i

t c e o

p s e

Sa = a A q

Fn

i

I

T

9 d l

S a

A e r n =

"

unA

mA

-

2

T=2.5 seg e a Tl

T l a

P d í e r o

E TRO S

A R P M o Tm

c T

S.

z

.

en el a e d o u / . cnm z o a n }NOTA: Las s - T o . r e Articulo Ver numeral 11 del parágrafo del Artículo : NAT* O Cuarto 1 )

inicial mínimo mínimo : Período o Cikr : Aceleración Espectral Am al 80% Aceleración : Aceleración Nominal mínima : Coeficiente de importancia ele acuerdo con A.25. del Decreto 33 de 1998 :

T ) g e s (

E a r u t c s l

o d e a Fir

s a t e d cir

a ámixM

1

CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7 K T 1 C A G 0 R d 7 5 c o - .

F a F v . ,

: ,

Factor de Amplificación de 1s Aceleración

ti

de Amplificación mínimo de la en el intervalo de -velocidades ó i n A c e r l constantes

o t c F a : r

DISEÑO ESTRUCTURAL EDIFICACIONES PORTAL 170 V E R .

1 - FEB 29, 2008 jrs

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De acuerdo con la distribución de límites de las Micro-zonas del Decreto Distrital 193 de 2006, el Portal de la Calle 170 está en la divisoria entre zonas 1-A, 2-A. Se adopta como zona de diseño la 2-A, más severa para diseño. Considerando el contenido del decreto

El Coeficiente de Disipación de Energía, R, es función de la clase de sistema estructural que se adopte, según su capacidad de disipar energía en el rango inelástico. En general, para las Edificaciones localizadas en Bogotá, ubicada en Zona de Amenaza Intermedia, se especifican estructuras con capacidad de disipación de energía moderada ) ( , OMD para las cuales se asignan valores de R de acuerdo con las tablas A.3-1 a A.3-4 de la bien sea que se trate de pórticos de acero, NSR-98. Las estructuras de tipo pórtico O , M D o pórticos de concreto, tienen un valor nominal de R=5.0, valor que se afecta por los coeficientes de irregularidades en planta y alzado de cada estructura particular.

Para lo relacionado con el Coeficiente de Importancia, se adopta como criterio general que las Edificaciones de las Estaciones son Construcciones Indispensables, catalogadas dentro del Grupo IV de la NSR-98. En este caso, el Coeficiente de Importancia se establece con un valor de 1=1.30. Para lo relacionado con el Coeficiente de Sitio, que se encuentra implícito en los parámetros de Micro-zonificación, los suelos de la zona se clasifican como tipo S-3, según las indicaciones de los Estudios Geotécnicos.

Escogidos el espectro y el sistema estructural, se procede a evaluar la carga sísmica evaluando el Cortante en la Base, el cual se distribuye a los diferentes niveles de la edificación. Se escoge como método de diseño para las edificaciones de las Estaciones el

Método del Análisis Dinámico (Modal), que representa de manera más precisa el comportamiento de las edificaciones ante un evento sísmico. Se escoge un número de modos de vibración adecuado, de modo que en el cálculo de la respuesta, en cada una de las direcciones principales, la masa participante no sea inferior al 90% de la masa total. Además, se tienen en cuenta los efectos bidireccionales del sismo, considerando hipótesis que contemplen el 100% de la carga sísmica en una dirección, y el 30% de la misma en la dirección ortogonal, actuando simultáneamente.

4. 5

EMPUJES DE TIERRAS

Se harán consideraciones sobre empujes de tierras en edificaciones en las zonas donde existan muros de contención, muros de sótano, o donde existan elementos que deban resistir la acción de las tierras. El empuje horizontal estará definido en función del ángulo de fricción interna del material y del ángulo de la superficie del terreno que se contiene, para las condiciones de Empuje Activo, de Reposo, o Pasivo, según corresponda. Cada uno de estos tipos de presiones se relaciona con un coeficiente de empuje de tierras. En general, la presión de tierras a una profundidad h sobre la superficie será:

CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7 c o d . 1 R - 0 5 G 7 K T A C

DISENO ESTRUCTURAL EDIFICACIONES PORTAL 170 REV. 1 — FEB 29, 2008 sri

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, donde K es el coeficiente de presión de tierras aplicable, y es el peso específico del material que se contiene, y h es la altura a la que se evalúa la =K

h

hr

presión, medida desde la superficie. Cualquiera de los tr es tipos de empuje se incrementa

de manera lineal con la altura, de modo que su resultante, la fuerza de empuje de tierras sobre una estructura, será para la altura total H: 1

F =

2

HT

K

2

con el valor de K aplicable según el tipo de empuje (Ka, Ko ó Kp), y con la altura total de la estructura. La resultante se coloca a una distancia de 1/3 de la altura total medida desde la base. ,

El efecto sísmico en rellenos se evalúa en términos de investigar posibles sobrepresiones en los sistemas de contención de tierras por efecto de las cargas sísmicas. Para cuantificar este efecto hay diversas teorías. Una de las más aceptadas es la teoría de Mononobe-Okabe, que consiste en un análisis seudo-estático en el que se calcula el coeficiente de empuje de tierras activo o pasivo (Ka ó Kp) en una condición de sismo. Para efectos de los análisis sísmicos de las estructuras de contención se usará la teoría de Mononobe-Okabe.

4.6

OTRAS CARGAS

Dependiendo de su importancia dentro del análisis de cada elemento individual, se tienen en cuenta otras cargas, como los efectos de Temperatura, Contracción, Creep del concreto, etc. Su magnitud e importancia se evalúan dentro de la memoria de cálculo de cada estructura, y en ella se incluye la descripción detallada de los criterios utilizados en el análisis.

4.7

COMBINACIONES DE CARGA

En los análisis de las edificaciones del Portal 170 se consideran diferentes grupos de carga, de acuerdo con las indicaciones de la NSR-98, que incluyen factores de

combinación de cargas tanto para diseño por Esfuerzos últimos (Método del Estado Límite de Resistencia), como por Esfuerzos de trabajo (Método del Estado Límite de Servicio).

4.7.1

Métodos de Diseño:

La práctica actual de diseño de estructuras utiliza dos métodos de diseño diferentes:

CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7 c o d . l R - 0 1 5 G 7 K T A C


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El Método del Estado Límite de Servicio, conocido también como "Método Elástico", o "Método de los Esfuerzos de Trabajo", y

El Método del Estado Límite de Resistencia, conocido también como "Método de los

Esfuerzos Últimos". El primero de los métodos investiga el comportamiento de los elementos estructurales utilizando las cargas de servicio de las estructuras, y el segundo investiga los mecanismos que conducen a la falla de los materiales, en un sistema de cargas mayorado. Las obras de concreto reforzado convencional de Edificaciones se diseñan en general por el Método del Estado Límite de Resistencia, aunque si el proyecto de una estructura requiere el control de fisuración para garantizar la estanqueidad, se hacen verificaciones para el Estado Límite de Servicio. En el diseño de Estructuras metálicas el uso del método del Estado Límite de Servicio es todavía bastante usado, pero cada vez más el diseño de estos elementos tiende a hacerse por el Método del Estado Límite de Resistencia, conocido como LRFD. Las verificaciones de estabilidad al deslizamiento y al vuelco, flotación, y estudio de esfuerzos en el terreno se hacen para el Estado Límite de Servicio. En la aplicación de las cargas de sismo, no debe perderse de vista el hecho de que las cargas sísmicas prescritas por la NSR-98 son evaluadas con espectros mayorados, es decir, consistentes con la teoría del Estado Límite de la Resistencia.

4.7.2 Combinaciones de Carga por el Método del Estado Límite de Servicio: Para el diseño por Estado Límite de Servicio (Esfuerzos de Trabajo), se analizarán las siguientes combinaciones de carga en las edificaciones de la Estación Calle 100: D D+ L

D+W D+0.7E D+L+W D+L+0.7 E T+LD

D+L+H Para estructuras metálicas, además debe considerarse el efecto de granizo sobre cubiertas, con las hipótesis:

D+L+(Lr ó G) D+L+(Lr ó G)+W (rL+D

+ ) 0 7 E G . ó

Donde: D: Cargas Muertas CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7 K T 1 C A G 0 R d 7 5 c o - .


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L: Cargas Vivas

W: Cargas de Viento E: Cargas de Sismo T: Cargas de temperatura, retracción, flujo plástico, etc. H: Cargas laterales debidas a empujes de tierras o de agua. Lr: Carga viva sobre cubiertas G: Carga de Lluvia y Granizo

El signo + indica de manera general adición de efectos, e implica que deben considerarse efectos direccionales en las cargas que pueden cambiar de dirección, como es el caso de las cargas de viento o sismo, usando el signo + ó — según convenga en los análisis.

4.7.3 Combinaciones de Carga por el Método del Estado Límite de Resistencia:

Para el diseño por Estado Límite de Resistencia (Esfuerzos Últimos), se analizarán las siguientes Combinaciones de Carga, si se trata de Estructuras de Concreto: 1.4D+1.7L 5 0 + . D L 1 W 8 2 3 9 01+W.D D L 5 8 E 2 + . 1 0 0 91+E.D D L H 4 + . 1 7 5 0 81+ T.L2D D T 1 + . 4

Cuando se trate del análisis de Estructuras de Acero, por el Método del Estado Límite de Resistencia (LRFD), se analizarán las siguientes Combinaciones de Carga: 1.4D ( 5 0 61+rD L.2 ( 61+rD L.2 ( 5 0 31+rD L.W2 D E L 2 + . 1 ( 0 5 ( 3 9 0W.1+D

ó G)

ó G)+0.5L ó 0.8W) ó G) ó 0.2G)

ó 1.0E)

D L G R 1 + . 5 2 ( 0 4 ) E

0.9D+(0.4R)E Donde:

D: Cargas Muertas

L: Cargas Vivas W: Cargas de Viento E: Cargas de Sismo T: Cargas de temperatura, retracción, flujo plástico, etc. H: Cargas laterales debidas a empujes de tierras o de agua. Lr: Carga viva sobre cubiertas G: Carga de Lluvia y Granizo CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7

ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA 7

c o 5 d 0 G C-.71K RTA


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R: Coeficiente de modificación de respuesta

El signo + indica de manera general adición de efectos, e implica que deben considerarse efectos direccionales en las cargas que pueden cambiar de dirección, como es el caso de las cargas de viento o sismo, usando el signo + ó — según convenga en los análisis. Para los análisis y diseños de las estructuras por el Método del Estado Límite de Resistencia debe tenerse en cuenta que, en las hipótesis que involucren cargas sísmicas, para cálculos de fuerzas internas, las fuerzas de sismo aplicables corresponden a fuerzas reducidas, es decir, divididas por el valor de R adoptado para las estructuras. En la evaluación de las deformaciones horizontales causadas por el sismo de diseño, las fuerzas de sismo aplicadas no deben reducirse, es decir, no se dividen por el valor de R.

CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7 ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA K T l C A G 0 1 R d 7 5 c o - .

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s r i

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