ESTRUCTURAS II
TEMA
Combinación de cargas ACI 318-08
Índice Introducción ........................................................................................................................................ 3 Objetivo General ................................................................................................................................. 4 Objetivo Especifico .............................................................................................................................. 4 Combinaciones de Carga de Acuerdo ACI-318 .................................................................................... 5 Conclusiones ..................................................................................................................................... 13 Recomendaciones ............................................................................................................................. 14 Comentario sobre las cargas utilizadas en nuestro país en los edificios. ......................................... 15 Bibliografía ........................................................................................................................................ 16
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Introducción En el presente trabajo se hizo una investigación acerca de los tipos de combinaciones de cargas que se mencionan en el reglamento ACI 318-08, este es un código que tiene gran influencia en el mundo y presenta los requisitos necesarios para el diseño de edificios de hormigón. Una combinación de cargas es el cálculo general de un elemento o estructura
con
las
sobrecargas
desfavorables,
y
que
actúan
en
determinadas partes de la estructura, estos elementos deben ser diseñados para que tengan una resistencia de diseño al menos igual a la resistencia requerida para que estos resistan y no colapsen con facilidad.
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Objetivo General Que el estudiante estudie y conozca los tipos de combinaciones de cargar del código ACI 318-08 y su utilidad en el diseño de las estructuras de una edificación.
Objetivo Especifico 1. Identificar las combinaciones de carga dadas en el reglamento ACI 318-08 y sus excepciones. 2. Conocer la resistencia requerida que o actúan sobre las estructuras de las edificaciones. 3. Estudiar los factores de resistencia y como estos nos pueden ayudar a hacer un buen diseño de estructura. 4. Indicar los propósitos del factor de reducción de resistencia φ.
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Combinaciones de Carga de Acuerdo ACI-318 Empecemos por definir a que se denomina una combinación de cargas es el cálculo general de un elemento o estructura con la concarga y con las sobrecargas desfavorables, ya que actúan, a veces, sólo en determinadas partes de la estructura. Es por esa razón que es importante identificar los estados a que puede verse sometida la estructura y verificar que frente a ellos continúe desempeñándose según los criterios de diseño aceptables. El
ACI
318-08
en
el
capítulo
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“Requisitos
de
Resistencia
y
Funcionamiento” establece las condiciones de resistencia y rigidez que deben cumplirse para satisfacer el estado límite último y de servicio. Las estructuras y los elementos estructurales deben ser diseñados para que tengan en cualquier sección una resistencia de diseño al menos igual a la resistencia requerida, calculada esta última para las cargas y fuerzas. En el capítulo 9 donde se realizara la base para la investigación sobre la combinación de cargas, define la resistencia básica y las condiciones de funcionamiento para diseñar elementos de concreto estructural. El requisito básico para el diseño por resistencia se puede expresar como: Resistencia de diseño ≥ Resistencia requerida Ǿ (Resistencia nominal) ≥ U
Resistencia Requerida La resistencia requerida representa el valor de la fuerza axil, momento flector o torsor y fuerza cortante, que solicitan o actúan sobre la estructura, consecuencia de las acciones aplicadas sobe ésta y que ha sido obtenida utilizando cualquiera de los métodos de análisis estructural prescrito por el ACI 318.
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La resistencia requerida U se expresa en términos de cargas mayoradas (producto de la carga nominal por un factor de mayoración de las cargas) o de las fuerzas y momentos internos correspondientes. Estás cargas mayoradas son las cargas especificas en el reglamento general de construcción multiplicadas por los factores de carga apropiados. A continuación se presentan las siguientes combinaciones de carga dadas en el reglamento ACI 318-08: Ec1) U = 1.4 (D + F) Ec2) U = 1.2 (D + F + T) + 1.6 (L + H) + 0.5 (L, ó S ó R) Ec3) U = 1.2D + 1.6 (L, ó S ó R) + (1.0L ó 0.8W) Ec4) U = 1.2D + 1.6W + 1.0L + 0.5 (L, ó S ó R) Ec5) U = 1.2D + 1.0E + 1.0L + 0.2S Ec6) U= 0.9D + 1.6W + 1.6H Ec7) U= 0.9D + 1.0E +1.6H También el reglamento ACI 318-08 indica las siguientes excepciones a las ecuaciones anteriores: Se permite reducir a 0.5 el factor de carga viva, L, en las ecuaciones Ec3 a Ec5, excepto para estacionamientos, áreas ocupadas como lugares de reunión pública y en todas las áreas donde L sea superior a 4.8 KN/m2. Se permite utilizar 1.3W en lugar de 1.6W en las ecuaciones Ec4 y Ec6 cuando la carga de viento W no haya sido educida por un factor de direccionalidad. En las ecuaciones Ec5 y Ec7 se puede usar 1.4E en lugar de 1.0E, cuando E, los efectos de carga por sismo se basen en los niveles de servicio de las fuerzas sísmicas. El factor de carga para H, cagas horizontales debidas al peso y presión del suelo, agua en el suelo, y otros materiales debe fijarse igual a cero en las Ec6 y Ec7, si la acción estructural debida a H 6
neutraliza las causadas por W ó E. Cuando las presiones laterales ejercidas por el empuje del suelo proporcionan resistencia a las acciones estructurales provenientes de otras fuerzas, no deben incluirse en H, sino deben incluirse en la resistencia de diseño. El factor asignado de cada carga está influenciado por el grado de precisión con el cual normalmente se puede calcular la carga y por las variaciones esperadas para dicha carga durante la vida de la estructura. Por esta razón a las cargas muertas que se determinan con mayor precisión y son menos variables se les asigna un factor de carga más bajo que a las cargas vivas. Los factores de carga también toman en cuenta variabilidades inherentes al análisis estructural empleado al calcular los momentos y cortantes. Debe darse la debida consideración al signo en la determinación de U, para las combinaciones de carga, dado que un tipo de carga puede producir efectos en sentido opuesto al de los producidos por otros tipos. Las combinaciones de carga 0.9D, están específicamente incluidas para el caso, para el cual una carga muerta reduce los efectos de otra. En dicho caso, una reducción de la carga axial y un incremento del momento pueden producir una combinación de carga más desfavorable. Deben considerarse las diversas combinaciones de carga con el fin de determinar la condición de diseño crítico, esto resulta particularmente cierto, cuando la resistencia depende de más de un efecto de carga, tal como la resistencia a la flexión y a la carga axial combinadas, o a la resistencia a cortante, en elementos con carga axial. Resistencia de Diseño La resistencia de diseño proporcionada por un elemento, sus conexiones con otros elementos, así como sus secciones transversales, en términos de 7
flexión, carga axial, cortante y torsión corresponde al producto de la resistencia
nominal
calculada
de
acuerdo
a
las
disposiciones
de
reglamento ACI 318 y un factor de reducción de resistencia φ que siempre es menor que la unidad. Los propósitos del factor de reducción de resistencia φ son: 1) Tener en cuenta la probabilidad de existencia de elementos con una resistencia baja debida a variaciones en la resistencia de los materiales y las dimensiones. 2) Tener en cuenta inexactitudes en las ecuaciones de diseño. 3) Reflejar el grado de ductilidad y la confiabilidad requerida para el elemento bajo los efectos de la carga bajo consideración. 4) Reflejar la importancia del elemento en la estructura. La resistencia nominal es la resistencia de un elemento o sección transversal calculada usando las hipótesis y ecuaciones de resistencia del Método de Diseño por Resistencia, antes de aplicar cualquier factor de reducción de la resistencia. Los factores de reducción de la resistencia φ (sección 9.3.2): 1) En secciones controladas por tracción: φ = 0, 90 2) Secciones controladas por compresión: elementos con armadura en espiral (sec.10.9.3) φ = 0, 70; otros elementos armados φ = 0, 65 3) Corte y torsión φ = 0, 75 4) Aplastamiento en el concreto (excepto para zonas de anclaje postesado y modelos puntal-tensor) φ = 0, 65 5) Zonas de anclaje de postensado φ = 0, 85 6) Modelos puntal-tensor, (Apéndice A) puntales, tensores, zonas nodales y áreas de aplastamiento en esos modelos φ = 0, 85
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7) Las secciones a flexión en los elementos pretensados donde la longitud embebida del torón es menor que la longitud de desarrollo como se establece en (art. 12.9.1.1) a) Desde el extremo del elemento hasta el extremo de la longitud de transferencia φ = 0, 75 b) Desde el extremo de la longitud se transferencia hasta el extremo de la longitud de desarrollo, debe permitirse que φ sea incrementado linealmente de 0.75 a 0.9 8) Para flexión compresión, cortante y aplastamiento en concreto estructural simple: φ = 0, 65 9) En estructuras que dependen de muros prefabricados intermedios de categoría de diseño sísmico, el φ se debe modificar según se indica: a) Para cualquier elemento estructural diseñado para resistir E, φ 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. b) Para diagramas, φ para cortante no bebe exceder el mínimo φ para cortante usado para los elementos verticales del sistema primario resistente a fuerzas laterales. c) Para nudos y vigas de acople reforzadas en forma diagonal, φ para cortante debe ser 0.85. Control de Deflexiones Los elementos de concreto reforzado sometidos a flexión deben diseñarse para que tengan una rigidez adecuada con el fin de limitar cualquier deflexión
que
pudiese
afectar
adversamente
funcionamiento de la estructura.
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la
resistencia
o
el
Cuando
se
calculen
deflexiones
a
largo
plazo,
únicamente
debe
considerarse la carga muerta y la porción de la carga viva que actúan en forma permanente. Se dan dos métodos para controlar las deflexiones. Para vigas no preesforzadas y losas en una dirección, y para elementos compuestos se deben seguir las disposiciones de altura o espesor total mínimo, según la tabla que a continuación se presenta.
Espesor mínimo h
Elementos Losas macizas con una dirección
Con un Ambos Simplemente extremo extremos En apoyadas continuo continuos voladizo Elementos que no soportan o estén ligadas a divisiones u otro tipo de elementos susceptibles a dañarse debido a deflexiones grandes L /20
Vigas o losas nervadas en una dirección L /16
L /24
L /28
L /10
L/18.5
L /21
L/8
Tabla 9.5 (a) alturas o espesores mínimos de vigas no preesforzadas o losas reforzadas en una dirección a menos que se calculen las deflexiones Para elementos reforzados en dos direcciones (no preesforzados) la altura mínima requerida de las losas sin vigas interiores que se extiende entre los apoyos y que tienen una relación entre lados no mayor que 2, debe cumplir con lo requerido en la tabla 9.5(c) y no debe ser inferior que los siguientes valores: a) Losas sin ábacos 125 mm b) Losas con ábacos 100 mm
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El espesor mínimo H para losas con vigas que se extienden entre los apoyos en todos los lados debe ser: a) Para
igual o menor que 0.2, se aplican las dispociones de
9.5.3.2
b) Para
mayor que 0.2 pero no mayor que 0.2, h no debe ser menor
que:
Ecuación 9-12 Pero no menor de 125 mm.
c) Para
mayor que 2.0, h no debe ser menor que
Ecuación 9-13 Y no menor que 90 mm. d) En bordes discontinuos bebe disponerse una viga de borde que tenga una relación de rigidez no menor de 0.80, o bien aumentar el espesor mínimo requerido por las ecuaciones 9-12 0 9-13 por lo menos un 10 por ciento en el panel que tenga un borde discontinuo.
El termino
en b y c corresponden a la luz libre en la dirección larga
medida cara a cara de las vigas. El termino
en b y c corresponde a la
relación de la luz libre en la dirección larga a la luz libre en la dirección corta de la losa. 11
Sin ábacos Paneles exteriores Sin vigas de borde
Con ábacos Paneles interiores
Con vigas de borde
Paneles exteriores Sin vigas de borde
Paneles interiores
Con vigas de borde
280 420 520
Tabla 9.5 (c) Espoesores mínimos de losas sin vigas interiores
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Conclusiones Las estructuras de las edificaciones que nos rodean tienden a ser afectadas por diferentes tipos de cargas o también llamadas fuerzas, estas pueden ser tanto internas como externas, y suelen provocar deformaciones en las estructuras y provocar que los edificios colapsen, aquí es donde entran en juego estos reglas de código ACI, que nos sirven para que los edificios se mantengan en su lugar a la hora que entren en juegos fuerzas externas que quieran dañar el edificio.
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Recomendaciones 1. Los profesionales de la construcción deben estar atentos e identificar los estados a que puede verse sometida la estructura y verificar que frente a ellos continúe desempeñándose según los criterios de diseño aceptables. 2. Es
recomendable
que
se
verifique
no
solo
los
tipos
de
comportamiento de las cargas sino también se debe tener en cuenta que pueden ocurrir simultáneamente varios de ellos, para tomar las medidas necesarias a la hora de diseñar las estructuras de una edificación. 3. Es recomendable que los diseños de las estructuras sean dúctiles ya que este tipo de diseños tiene la capacidad de atenuar vibraciones y por tanto los edificios no se dañan y resisten cuando hay fuerzas externas como por ejemplo sismos.
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Comentario sobre las cargas utilizadas en nuestro país en los edificios. En nuestro país no siempre se siguen las reglas acerca de lo que se recomienda para tener un buen diseño estructural que cumpla con los estándares de diseño del códigos internacionales como es el código ACI, por lo general quien construye las casas o edificios se van a base de recetas, es decir, que solo siguen un patrón de diseño que como les funciono en un lugar les funcionara en todo lugar sin embargo, a la hora de diseñar las estructuras de un edificio se deben tomar en cuenta el tipo de suelo en donde se pondrán las cimentaciones del edificio ya que no todos los suelos son iguales unos necesitan más refuerzos que otros. Por último es importante recordar que como profesionales de la construcción debemos velar porque nuestros diseños sean dúctiles para que estos tenga la capacidad de atenuar vibraciones y por tanto se dañe menos nuestro edificio.
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Bibliografía http://www.engoon.com/Lectivo/1022_NINT/C5_PROCED_CALCULO_ACI .pdf http://www.frsf.utn.edu.ar/matero/visitante/bajar_repositorio.php?id_cat edra=171&id_repositorio=2619 Reglamento ACI 318-08 (American Concrete Institute).
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