Manual de Agua Potable, Alcantarillad Alcant arillado o y Saneamiento Estudios Técnicos Para Proyectos de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento: Diseño estr est ructural
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Comisión Nacional del Agua
www.conagua.gob.mx
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Comisión Nacional del Agua
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Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento Estudios Técnicos Para Proyectos de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento: Diseño Estructural ISBN: 978-607-8246-95-3 D.R. © Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines en la Montaña C.P. 14210, Tlalpan, México, D.F. Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, Méx ico, D.F. Tel. (55) 5174•4 5174•4000 000 Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Impreso y hecho en México Distribución Gratuita. Prohibida su venta. Queda prohibido prohibido su uso para fi nes distintos al desarrollo social. Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente
C�������� Presentación Objetivo general Introducción al diseño estructural
VII IX XI
1. Concept Conceptos os iniciales 1.1.. Introducc 1.1 Introducción ión 1.2. Antecedentes 1.3. Alcances del diseño estructural 1.4. Propiedades estructurales 1.5. Falla estructural 1.6. Materiale Materialess 1.6.1. 1.6. 1. Acero estructural 1.6.2. Concreto 2. Procedimiento de análisis estructural 2.1.. Estudios previos 2.1 2.1.1. 2.1. 1. Análisis hidráulico 2.1.2. Proyecto electromecánico 2.1.3. Proyecto Arquitectónico 2.1.4. Topog opografí rafíaa 2.1.5. Mecán Mecánica ica de suelos 2.2. Diseño estructural 2.2.1. Reglamento o códi código go aplicable 2.2.2. Clasificación de estructuras según su importancia 2.2.3. Acciones de diseño 2.2.4. Combinaciones de carga 2.2.5. Método de análisis 2.2.6. Análisis estructural por medio de programas de cómputo 2.2.7. Reaccio Reacciones nes 2.2.8. Dimensionamiento de elemen elementos tos estructurales 3. Diseño de estructuras por sismo 3.1. Considerac Consideraciones iones generales 3.1.1. 3.1. 1. Los sismos 3.1.2. Sismic Sismicidad idad 3.1.3. 3.1 .3. Ondas sísmicas 3.1.4. 3.1 .4. Magnitud de un sismo 3.1.5. Intensidad de un sismo 3.1.6. 3.1 .6. Acelerogramas 3.2. Espectros de diseño 3.2.1.. Construcción del espectro de diseño de acuerdo con el rcdf-04 y sus NTC 3.2.1 3.2.2. Construcción del espectro de diseño acuerdo con MOCS-CFE (2008 (2008))
1 1 1 2 4 5 8 8 9 13 13 13 16 16 17 17 17 17 18 19 30 31 33 36 37 41 41 41 41 42 43 43 44 44 44 48
III
3.2.3. Construcción del espectro de diseño de acuerdo con AASHTO LRFD 3.2.4. Ejemp Ejemplo lo de construcción del espectro de diseño con AASHTO LRFD 3.3. Respuesta de las estructuras ante los sismos 3.3.1.. Efectos hidrodinámicos 3.3.1 3.3.2. Criterios de diseño sísmico 3.3.3. Análisis modal espectral 4. Diseño estructural por viento 4.1. Consideraci Consideraciones ones generales 4.2. Respuesta del las estructuras ante el viento 4.3. Análisis de estructuras por viento 4.3.1.. Clasificación de las estructuras 4.3.1 4.3.2. Efectos a considerar 4.4. Análisis Estático 4.5. Análisis Dinámico 5. Cimentaciones 5.1. Introducc Introducción ión 5.1.1. 5.1. 1. Generali Generalidades dades 5.1.2. Acciones de diseño 5.1.3. Factores de carga y de resistenc resistencia ia 5.1.4. Control de humedad 5.2. Cimenta Cimentación ción superficial 5.2.1. Zapata aislada 5.2.2. Ejempl Ejemploo de diseño de una zapata aislada 5.2.3. Zapata corrida 5.2.4. Ejempl Ejemploo de diseño de una zapata corrida 5.2.5. Cajón de cimentación 5.3. Cimenta Cimentación ción profunda 5.3.1.. Clasificación 5.3.1 5.3.2. Configuración Geométrica de la Cimenta Cimentación ción 5.3.3. Acciones sobre la cimentación 5.3.4. Análisis y dimensionamiento 5.3.5. Movimientos de la cimentación 5.3.6. Consideracio Consideraciones nes estructurales 5.3.7.. Condicione 5.3.7 Condicioness constr constructivas uctivas y de control 6. Ejemplos de diseño 6.1. Tanque semienterr semienterrado ado 6.1.1. 6.1. 1. Consideraci Consideraciones ones generales 6.1.2. Descr Descripción ipción del tanque 6.1.3. Método de análi análisis sis 6.1.4. 6.1 .4. Ecuaciones para dimensionamiento de elemen elementos tos estructurales 6.1.5. Diseño de la losa tapa 6.1.6. Diseño de trabes de losa superior
IV
50 52 52 54 55 58 59 59 60 62 63 63 65 66 69 69 69 70 71 71 72 73 81 85 86 89 94 94 97 97 101 10 1 106 10 6 106 10 6 107 111 11 1 111 11 1 111 11 1 111 11 1 115 115 11 5 118 11 8 121
6.1.7. Elaboració 6.1.7. Elaboración n del modelo de simulac simulación ión 6.1.8. Diseño de los muros laterales del tanque 6.1.9. 6.1. 9. Ecuaci Ecuaciones ones para el diseño de la losa de cimentac cimentación ión 6.1.10. 6.1. 10. Diseño de la losa de cimentac cimentación ión 6.2. Tanque superficial 6.2.1. Descripción 6.2.2. Diseño de elemen elementos tos de acero en la pasarela 6.2.3. Diseño de la losa del canal 6.2.4. Elaboració Elaboración n del modelo de simulac simulación ión 6.2.5. Diseño de los muros del tanque 6.2.6. Diseño de la losa fondo 6.3. Tanque elevado 6.3.1. Considerac Consideraciones iones generales 6.3.2. Descripción del tanque 6.3.3. Definición de acciones de diseño 6.3.4. Ecuaciones para dimensionamiento de elemen elementos tos estructurales 6.3.5. Diseño estructural de los muros 6.3.6. Ecuaciones para el diseño de losa fondo 6.3.7. Diseño de la losa fondo 6.3.8. Ecuaciones para el análisis sísmico 6.3.9.. Análisis sísmico para la estructura 6.3.9 6.3.10. 6.3.1 0. Ecuaciones para el diseño de columnas de sección rectangular sujeta a compresión y flexión biaxial 6.3.11. Dimen Dimensionami sionamiento ento de columna columnass 6.3.12. Diseño de losa de cimentac cimentación ión 6.3.13. Diseño de trabe 7. Recomendacion Recomendaciones es básicas de diseño para estructuras del sector hídrico 7.1. Tanques de mampos mampostería tería 7.2. Tanques de concreto reforzado 7.2.1. Tanques recta rectangu ngulares lares sin cubier cubierta ta 7.2.2 .2.2.. Tanques recta rectangu ngulares lares con cubier cubierta ta 7.2.3. Tanques cilíndricos sin cubierta 7.2.4. Tanques cilí cilíndrico ndricoss con cubier cubierta ta 7.2. .2.5. 5. Tanques de concreto presforzado 7.3. Recomendac Recomendaciones iones de serv servicio icio 7.3.1. Protecc Protección ión contra la corrosi corrosión ón del acero de presfuer presfuerzo zo 7.3.2 .3.2.. Protecc Protección ión contra la corrosi corrosión ón para el refuerzo no presforzado 7.4. Piso Pisoss 7.4.1. Piso Pisoss de membrana 7.4.2. Piso estructural 7.4.3. Juntas 7.4.4. Tipo de juntas
V
125 129 131 133 136 136 140 141 143 144 145 149 14 9 149 14 9 149 150 151 15 1 154 156 158 161 16 1 164 168 168 172 177 181 18 1 185 185 188 189 191 19 1 192 19 2 193 194 194 194 195 195 195 196 19 6 196 196
7.5. Tanques de acero 7.6. Dispositivos para la retención del agua 7.7. Diseño estructural de tanques elevados 7.7.1. Tanques elevados de concreto 7.7.2. Tanques elevados de acero 7.8. Cárcamos de bombeo 7.9. Estructuras bajo acción mecánica 8. Diseño estructural de conducciones 8.1. Diseño estructural de tuberías 8.1.1. Acciones externas 8.1.2. Tubería superficial 8.1.3. Acciones internas 8.2. Ejemplo de cálculo de espesor de la pared 8.2.1. Generalidades 8.2.2. Cálculo de sobrepresión por el fenómeno transitorio 8.2.3. Cálculo de espesores 8.3. Atraques y silletas 8.3.1. Tipos de soporte 8.3.2. Claros entre soportes 8.3.3. Silletas 8.3.4. Tuberías sin anillos rigidizantes 8.3.5. Tuberías con anillos rigidizantes 8.3.6. Atraques 8.3.7. Diseño de un atraque 8.4. Cruces especiales 8.4.1. Cruces con otras líneas 8.4.2. Cruce de tubería con carretera o vía de ferrocarril 8.4.3. Cruces con caminos y carreteras 8.4.4. Cruces con ríos 8.4.5. Cruces con pantanos 8.4.6. Cruces con barrancas 8.4.7. Cruces con canales de riego
199 200 202 202 207 207 210 213 214 214 224 227 230 230 230 231 233 233 233 235 236 237 241 243 244 245 245 254 257 261 261 263
Conclusiones Bibliografía
265 267
Anexos A. Propiedades de tubería de acero
269
Tabla de Conversiones de unidades de medida Ilustraciones Tablas
281 291 297
VI
P�����������
Uno de los grandes desafíos hídricos que enfrentamos a nivel global es dotar de los servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento a la población, debido, por un lado, al crecimiento demográfico acelerado y por otro, a la s dificultades técnicas, cada vez mayores, que conlleva hacerlo. Contar con estos servicios en el hogar es un factor determinante en la calidad de vida y desarrollo integral de las familias. En México, la población beneficiada ha venido creciendo los últimos años; sin embargo, mientras más nos acercamos a la cobertura universal, la tarea se vuelve más compleja. Por ello, para responder a las nuevas necesidades hídricas, la admin istración del Presidente de la República, Enrique Peña Nieto, está impulsando una transformación integral del sector, y como parte fundamental de esta estrategia, el fortalecimiento de los organismos operadores y prestadores de los servicios de agua potable, drenaje y saneamiento. En este sentido, publicamos este manual: una guía técnica especializada, que contiene los más recientes avances tecnológicos en obras hidráulicas y normas de calidad, con el fin de desarrollar infraestructura más eficiente, segura y sustentable, así como formar recursos humanos más capacitados y preparados. Estamos seguros de que será de gran apoyo para orientar el quehacer cotidiano de los técnicos, especialistas y tomadores de decisiones, proporcionándoles criterios para generar ciclos virtuosos de gestión, disminuir los costos de operación, impulsar el intercambio de volúmenes de agua de primer uso por tratada en los procesos que así lo permitan, y realizar en general, un mejor aprovechamiento de las aguas superficiales y subterráneas del país, considerando las necesidades de nueva infraestr uctura y el cuidado y mantenimiento de la existente. El Gobierno de la República tiene el firme compromiso de sentar las bases de una cultura de la gestión integral del agua. Nuestros retos son grandes, pero más grande debe ser nuestra capacidad transformadora para contribuir desde el sector hídrico a Mover a México. Director General de la Comisión Nacional del Agua
VII
O������� ������ �
El Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento (MAPAS) está dirigido a quienes diseñan, construyen, operan y administran los sistemas de agua potable, alcantarillado y saneamiento del país; busca ser una referencia sobre los criterios, procedimientos, normas, índices, parámetros y casos de éxito que la Comisión Nacional del Agua (C������), en su carácter de entidad normativa federal en materia de agua, considera recomendable utilizar, a efecto de homologarlos, para que el desarrollo, operación y administración de los si stemas se encaminen a elevar y mantener la eficiencia y la calidad de los servicios a la población. Este trabajo favorece y orienta la toma de decisiones por parte de autoridades, profesionales, administradores y técnicos de los organismos operadores de agua de la República Mexicana y la labor de los centros de enseñanza.
IX
I����������� �� ������ ��������� �� Los libros sobre estudios técnicos para proyectos de agua potable, alcantarillado y saneamiento, se integraron como parte del Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento (MAPAS), para ser una referencia en la elaboración de los proyectos de obras nuevas, reparaciones, mantenimiento o ampliaciones de las estructuras utilizadas en el sector hídrico. Este libro contiene, una breve recopilación de los reglamentos de construcción, con las metodologías y lineamientos de mayor aplicación en México, aplicados al diseño estructural para la diversa infraestructura utilizada en el sector hídrico. El libro se conforma de siete capítulos, con los cuales se pretende brindar una noción de las condiciones, alcances y limitaciones que deben considerarse al momento de realizar el análisis estructural, pero más importante aún, el libro busca orientar al lector, en que tipo de análisis deben solicitar y que condiciones deben tomarse en cuenta por parte de los encargados del diseño. El capítulo 1, brinda la información básica, las consideraciones iniciales, así como los materiales más utilizados para el diseño y construcción de elementos estructurales. El capítulo 2, aborda el diseño estructural por sismo, del cual se presentan diversas metodologías para la integración del espectro de diseño y se presenta un ejemplo de la obtención del cortante y momento basal, para un tanque elevado. Además se induce al lector a verificar las disposiciones de los reglamentos aplicables en el sitio donde se requiera construir la obra. Al final se brinda una breve explicación del funcionamiento de los modelos matemáticos utilizados por los programas de cómputo enfocados al diseño estructural y se dan una serie de recomendaciones para el uso de estos. El capítulo 3 describe el proceso propuesto por la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en su manual de diseño por viento (MOCV-08), del cual se extrajo unicamente los lineamientos para el diseño estático en construcciones cerradas y superficies circulares, que son las de mayor aplicación en el sector y también se induce al lector a consultar el manual correspondiente para el diseño dinámico y para otro tipo de construcciones que no caen dentro de estas categorías.
XI
El capítulo 4 presenta la metodología para el diseño de cimentaciones, principalmente someras o superficiales, para las cuales se presenta una metodología completa, pero que depende sustancialmente del estudio de mecánica de suelos, por lo que se induce al lector a consultar el libro de Estudios técnicos para proyectos de agua potable y saneamiento I, del MAPAS: También se aborda el tema de cimentaciones profundas, que su diseño en mayor parte corresponde a la mecánica de suelos, por lo que en este capítulo se brinda una breve explicación de las mismas y se recomienda revisar el libro correspondiente. El capítulo 5 es una recopilación de recomendaciones generales para el diseño y construcción de diversas obras de infraestructura del sector y que son producto de la experiencia de los especialistas en la materia y que son una herencia del libro de Diseño estructural de recipientes de la versión 2007 del MAPAS. El capítulo 6 presenta una serie de ejemplos de diseño estructural, a través de los cuales se muestra el proceso completo, las consideraciones iniciales y la metodología utilizada en función del reglamento considerado. El capítulo 7 presenta el diseño estructural de conducciones, del cual destacan recomendaciones para el cruce de ríos, carreteras y vías de ferrocarril y se incluyen recomendaciones del libros Conducción, Diseño selección e instalación de tuberías de acero y Seguridad en Acueductos de la versión 2007 del MAPAS En estos libros se han recopilado los criterios de los reglamentos vigentes y los resultados de investigaciones recientes. Estos libros incluyen tablas y figuras que pretenden auxiliar al proyectista en el análisis y diseño de estructuras relacionadas con el agua potable y alcantarillado. Considere que los lineamientos y recomendaciones indicadas en este libro, obedecen a la experiencia de los especialistas en el sector hídrico. En ningún caso se pretende sustituir a los reglamentos o normas oficiales, internacionales, extranjeras, ni la aplicación de la mejor práctica de la ingeniería por lo que debe considerarse como una guía para la para la realización de estudios, del análisis y diseño estructural de los diferentes tipos de estructuras requeridos para los sistemas de agua potable, alcantarillado y sanea miento.
XII
1 C �� � � � � � � � � � � � � � � � 1.1.
I�����������
El objetivo del diseño estructural es determinar las características geométricas y materiales de las estructuras y de los elementos que las forman, para que estas cumplan en forma segura y adecuada la función específica para la que fueron proyectadas. Toda obra de infraestructura debe cumplir requisitos básicos de ingeniería para su buen funcionamiento, seguridad estructural, relaciones con el medio ambiente, duración y economía (RCDF-04).
• •
•
Estos se complementan con normas y reglamentos extranjeros, lo cual permite tener una adecuada cantidad de información para el proceso de diseño y revisión estructural, entre estos se pueden mencionar:
1.2. A����������� En México se cuenta con una serie de reglamentos y normas que describen el proceso de diseño, presentan los alcances de los mismos, así como las consideraciones que se deben tomar, para el cálculo de los esfuerzos aplicados sobre una estructura y para la revisión de la capacidad estructural de los elementos que la conforman. Entre los más importantes son: •
•
del Transporte y la Secretaría de comunicaciones y transportes Manual de Obras Civiles, de la Comisión Nacional de Electricidad Reglamento de construcción para el Distrito Federal y sus Normas Técnicas Complementarias, del Gobierno del Distrito Federal Manuales y Guías para diseño y procesos constrictivos del Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto
•
•
Manual de Construcción en Acero (IMCA), del Instituto Mexicano de la Construcción en Acero Normas Oficiales Mexicanas, Manuales y la Normativa Para la Infraestructura del Transporte, del Instituto Mexicano
•
•
1
Reglamento de requerimientos de construcción para concreto estructural (ACI318) del American Concrete Institute Código de Especificaciones de Diseño de Puentes (AASHTO-LRFD), del American Association of State Highway and Transportation Officials Las normas ANSI/HI, del American National Standard y The Hidraulic Institute AWWA Manuals of Water Supply Practices, del American Water Works Association
1.3. A��� ���� ��� ������ ����������� De forma general, más no limitativa, los elementos que componen los sistemas de extracción, conducción, distribución de agua potable, redes de recolección, sistemas de tratamiento y disposición de aguas residuales y redes de drenaje pluvial, se muestran en la Ilustración 1.1, Ilustración 1.2 y la Ilustración 1.3. De estos elementos, algunos, por sus características especificas, requerirán de un análisis estructural especial, que no se encuentra propiamente dentro de los reglamentos mencionados, por lo que no están dentro de los alcances de este libro. Entre estas estructuras se encuentran las presas y algunas obras que se están en contacto directo con los cauces (Estructuras en color gris de la Ilustración 1.1). El resto de las estructuras se pueden diseñar, estructuralmente hablando, con los métodos y recomendaciones de la normatividad establecida; sin embargo, en toda obra que se encuentra sobre los cauces de ríos o que se somete a empujes de suelo, los estudios geotécnicos e hidrológicos serán necesarios para obtener los esfuerzos a los que estas estructuras estarán sometidos, ya que en los reglamentos de diseño estructural no se establece como obtenerlos, ni las consideraciones espaciales que deben ser tomadas en cuenta. En el libro de Estudios técnicos Para Proyectos de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento: Topografía y Geotécnia , se abordan
los estudios requeridos para las condiciones de suelo. Considere ademas, que de los estudios de mecánica de suelo dependerá el tipo de cimentación que se requerirá diseñar. Con respecto a los esfuerzos debidos al flujo de agua y arrastre de sólidos en ríos, no forman parte 2
de los alcances del MAPAS, por lo que, al igual que en el diseño de presas se deberá considerar las recomendaciones de la bibliografía especializada. En el sector hídrico, existen diversas estructuras que por su uso y características generales, no requieren un análisis estructural completo, puesto que estos elementos no reciben, ni transmiten esfuerzos al suelo o a otras estructuras y para estos casos, ya existen elementos tipo e incluso muchos de estos son prefabricados, por lo que el diseño se limita a una selección de tamaño, material y características especificas, por lo cual, este tipo de obras no forman parte de este libro y se encuentran indicadas en color verde en la Ilustración 1.2 y la Ilustración 1.3. El libro de Diseño de Redes de Agua Potable, del MAPAS, presenta los criterios de selección de tuberías y cajas de válvulas para redes de agua potable. Por su parte, el libro de A lcantarillado Sanitario y el libro de Drenaje Pluvial Urbano, del MAPAS, presenta los criterios de selección de tuberías, pozos de visita y cajas rompedoras. Solo en casos particulares, donde la estructura requerida no cumpla con las especificaciones tipo o se encuentre sometida a esfuerzos adicion ales, esta deberá diseñarse estructuralmente, así como el resto de estructuras, con los métodos y recomendaciones presentados en este libro, que a su vez están fundamentadas en la normatividad presentada, las cuales se presentan el color negro en la Ilustración 1.2 y la Ilustración 1.3. Al formar parte de un sistema, si una de las estructuras falla, puede ocasionar que todo el sistema falle, de ahí la importancia de garantizar la seguridad e integridad durante toda su vida útil
Ilustración 1.1 Principales Elementos que componen la infraestructura hídrica a cargo de los organismos operadores (Captaciones)
Concreto armado Presas
Concreto compactado con rodillo (CCR)
Gravedad Contrafuertes Arco
Materiales graduados Canal de llamada Captaciones superficiales
Carcamo de bombéo Río
Plataformas flotantes
Laguna
Plataformas fijas Pozo radial Galerías
Captaciones Manantial
Captaciones profundas
Caja de almacenamiento y distribución
Pozos profundos
Ilustración 1.2 Principales Elementos que componen la infraestructura hídrica a cargo de los organismos operadores (Conducciones)
A presión
Tubería Estaciones de bombeo Dispositivos
Plantas potasbilziadoras Cruces especiales Conducciones Tubería Cajas romperdoras de presión Dispositivos A superficie libre
Plantas potasbilziadoras Cruces especiales
3
Silletas Cajas de válvulas Atraques Cámaras Tanques Carreteras FFCC Ríos Barrancas Obras accesorias
Silletas Cajas de válvulas Atraques Cámaras Tanques Carreteras FFCC Ríos Barrancas Obras accesorias
Ilustración 1.3 Principales Elementos que componen la infraestructura hídrica a cargo de los organismos operadores (Redes)
Redes de distribución
Redes de alcantarillado sanitario
Redes de drenaje pluvial
Tanques de distribución Tubería Puntos de desinfección Cajas de válvulas Cruces especiales Tomas domiciliarias
Red de atarjeas Obras de conexión Subcolectores Colectores Emisores Cruces especiales PTARS
Red de atarjeas Obras de conexión Subcolectores Colectores Emisores Cruces especiales Obras de descarga
Pozos de visita Cajas rompedoras Carreteras FFCC Ríos Barrancas Obras accesorias
Pozos de visita Cajas rompedoras Carreteras FFCC Ríos Barrancas Obras accesorias
y principalmente en la ocurrencia de fenómenos meteorológicos. Para mayor referencia de estos fenómenos y sus efectos en las redes de agua potable, consulte el libro Establecimiento de Medi-
Las propiedades estructurales relevantes de toda edificación son:
das Preventivas, de Seguridad y Diseño de Obras de Protección de la Infraestructura de Agua Potable en Situaciones de Emergencia, del MAPAS.
como la capacidad de una estructura a oponerse a una fuerza actuante • Rigidez. Capacidad de una pieza estructural o de un material sólido para soportar esfuerzos sin sufrir deformación, rotación y desplazamiento • Capacidad de Deformación. Propiedad de una estructura o un elemento de esta para deformarse ante la acción de una fuerza sin sufrir un daño que ponga en riesgo la integridad estructural del con junto
1.4. P���������� ������������� Una estructura debe garantizar la operación, para la que fue diseñada, sin problemas y la seguridad del personal que labore en ésta, así como de los equipos que contenga, en caso que se presente un evento de severidad extrema.
4
• Resistencia. La resistencia se define
• Límite elástico. Indicación de la fuerza
La Ilustración 1.5 muestra la curva de esfuerzo deformación de acero estructural A36, en esta ilustración se muestran las diferentes etapas. El acero tiene propiedades casi idénticas a la tensión y a la compresión. El concreto es un material completamente distinto y la Ilustración 1.6 se presenta una curva típica de esfuerzo-deformación basada en pruebas de compresión. El concreto no tiene un límite elástico sino que la curva se prolonga suavemente hasta el punto de ruptura (White, et. al., 1980).
máxima que se puede soportar un elemento o estructura sin causar en este una deformación permanente. El límite elástico está determinado a partir de un diagrama esfuerzo-deformación como el mostrado en la Ilustración 1.4. Es el esfuerzo que corresponde a la intersección de la curva de esfuerzo-deformación con una línea paralela a su sección recta • Límite plástico. Es el punto en que un elemento puede deformarse, mantener su integridad estructural bajo la acción de una fuerza, entre el límite elástico y este punto, la deformación en el elemento será permanente, sin embargo no se producirá la falla, observe la Ilustración 1.4. Una vez rebasado este punto, la estructura o el elemento fallará
1 . 5 . F � � � � � � � � �� � � � � � De forma general, se considera que la falla de un elemento estructural ocurre cuando deja de desempeñar la función para la cual fue diseñado, no necesariamente significa el colapso del elemento o la estructura.
Ilustración 1.4 Relación entre la resistencia, rigidez y la capacidad de deformación
Capacidad de deformación
Límite plástico Resistencia Falla
o z r e u f s E
Límite elástico
Rigidez lateral
Desplazamiento
5
Ilustración 1.5 Curva típica de esfuerzo-deformación del acero estructural A36 (White, et. al., 1980)
4 200
Rango plástico
Zona de endurecimiento por deformación
Rango elástico
) m c 2 800 / g k ( o z r e u f s 1 400 E 2
0
Punto de cedencia superior Punto de cedencia inferior Límite de proporcionalidad
0
0.010
0.020 Deformación unitaria (cm/cm)
0.030
0.040
0.30
0.40
5 600
Resistencia última de tensión
4 200 ) m c / g k ( 2 o z r e u f s E 2
800
1 400
0
0
0.10
0.20 Deformación unitaria (cm/cm)
Ilustración 1.6 Curva esfuerzo-deformación del concreto a compresión (White, et. al., 1980)
250 ) m c / g k ( a r u t p u r e d o z r e u f s E
Por tanto, una falla que ocasiona la pérdida de la integridad estructural de un elemento puede calificarse en dos tipos:
2
• Falla frágil. Ocurre cuando ante la ocu-
0
0
0.001
0.002
0.003
rrencia de una fuerza o deformación inducida en la estructura esta colapsa súbitamente • Falla dúctil. En este caso, la estructura muestra indicios que hacen evidente la falla de la estructura y permite tomar precauciones al respecto, como desalo jar el inmueble o reforzar los elementos
0.004
Deformación unitaria (cm/cm)
6
tendientes a fallar. En estos casos puede ocurrir un colapso progresivo. Primero colapsa parte de la estructura, a consecuencia de eso, las fuerzas se redireccionan hacia otras partes. Sin embargo, esto ocasiona un nuevo colapso parcial y una nueva redistribución de fuerzas, hasta que no existe un camino alternativo que las cargas pueden seguir en la estructura
estructura fue diseñada, ya no puede continuar debido a deformaciones excesivas, mal mantenimiento, fatiga de materiales o falla estructural parcial. Comúnmente, este tipo de fallas obligan a modificar el uso de la estructura, por ejemplo, en el caso de tanques, podría limitar su uso a cierto volumen de almacenamiento, menor para el que fue diseñado originalmente.
La distinción entre falla frágil y dúctil es necesaria, puesto que las consecuencias de una son mucho más graves que las de la otra.
La importancia de conocer los mecanismos de falla de una estructura radica en las afectaciones que esta pueda ocasionar, desde la pérdida de vidas humanas, gastos por reparación o reposición ante el colapso y afectaciones por inactividad de la estructura, observe la Ilustración 1.7.
Existen también fallas funcionales, las cuales ocurren cuando el uso normal, para el que la Ilustración 1.7 Relación de falla con afectaciones
Límite elástico
Colapso
o z r e u f s E
Desplazamiento
0
25
0
0.0001
0
1
7
50
100
0.001 0.01 30
Costo por reparacion (%) 0.25
180
7
Indice de pérdidas humanas Tiempo de inactividad (días)
1.6. M���������
1.6.1. Acero estructural
Para un correcto diseño se deben conocer los distintos materiales de construcción disponibles para poder hacer una correcta selección y dimensionamiento de las partes que conforman la estructura. Este conocimiento comprende características como: Resistencia, durabilidad y peso; además es necesario conocer como, su transportación, almacenamiento, colocación y costo: A este último respecto, el costo depende básicamente de la relación oferta-demanda, que a su vez dependen de la abundancia o escasez y de la profusión de su uso.
Los aceros que pueden utilizarse en estructuras se enuncian en la Tabla 1.1, donde el valor del esfuerzo de fluencia, f y, corresponde al mínimo garantizado del esfuerzo correspondiente al límite inferior de fluencia del material y el valor del esfuerzo último, Fu, es el esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión; Cuando se indican dos valores, el segundo corresponde al máximo admisible. Por su parte, los remaches, tornillos se indican en la Tabla 1.2, los metales de aportación y fundentes para soldadura en la Tabla 1.3.
Tabla 1.1 Definiciones de acero estructur al (adaptado de NTC-04)
Nomenclatura
Esfuerzo de fluencia
Esfuerzo último Fu
Definición
fy
NMX
ASTM
MPA
kg/cm2
Mpa
kg/cm2
B-254
A36
250
2 549.29
400 a 550
4 078.86 a 5 098.58
Acero estructural
B-99
A529
290
2 957.18
414 a 585
1 437.80 a 5 965.34
Acero estructural con límite de fluencia mínimo de 290 MPa
B-282
A242
290
2 957.18
435
1 376.62
320
3 263.09
460
4 690.69
345
3 518.02
485
4 945.62
290
2 957.18
414
4 221.62
345
2 498.30
450
4 588.72
414
4 221.62
515
5 251.54
450
4 588.72
550
5 608.44
A992
345
3 518.02
450 a 620
4 588.72 a 6 322.24
B-177
A53
240
2 447.32
414
1 437.80
Tubos de acero, con o sin costura
B-199
A5001
320
3 263.09
430
4 384.78
Tubos de acero al carbono para usos estructurales, formados en frío, con o sin costura, de sección circular o de otras formas.
B-200
A501
250
2 549.29
400
4 078.86
Tubos de acero al carbono para usos estructurales, formados en caliente, con o sin costura
A588
3452
3 518.02
4832
4 925.23
Acero estructural de alta resistencia y baja aleación de hasta 100 mm de grueso, con límite de fluencia mínimo de 345 MPa
A913
345 a 4833
3 518.02 a 4 925.23
448 a 6203
4 568.33 a 6 322.24
Perfiles de acero de alta resistencia y baja aleación, de calidad estructura l, producidos por un proceso de tratamiento térmico especial
B-284
A572
Acero estructural de baja aleación y alta resistencia
Acero estructural de alta resistencia y baja aleación al manganeso–vanadio
ASTM especifica varios grados de acero A500, para tubos circulares y rectangulares Para perfiles estructurale s; para placas y barras, ASTM especifica varios valores, que dependen del grueso del material 3 Depende del grado; ASTM especifica grados 50, 60, 65 y 70 1 2
8
Tabla 1.2 Definiciones para remaches y tornillos (adaptado de NTC-04)
Definiciones
Norma
Remaches
ASTM A502
Remaches de acero estructural; esta especificación incluye tres grados Grado 1
Remaches de acero al carbón para uso general (Fu =310 MPa)
Grado 2
Remaches de acero al carbono–manganeso, para uso con aceros (Fu =415 MPa)
Grado 3
Semejante al Grado 2, pero con resistencia a la corrosión mejorada (Fu =415 MPa)
Tornillos H-118 (ASTM A307)
Sujetadores de acero al carbono con rosca estándar exterior (Fu = 414 MPa)
H-124 (ASTM A325)
Tornillos de alta resistencia para conexiones entre elementos de acero estructural (Fu= 830 MPa) para diámetros de 13 a 25 mm ( 1/2 a 1 pulgadas), Fu = 725 MPa para diámetros de 29 y 38 mm (1 1/8 y 1 1/2 pulgadas).
H-123 (ASTM A490)
Tornillos de acero aleado tratado térmicamente para conexiones entre elementos de acero estructura l (Fu = 1 035 MPa).
Tabla 1.3 Metales de aportación y fundentes para soldadura (adaptado de NTC-04)
Norma
Definiciones
H-77 (AWS A5.1)
Electrodos de acero al carbono, recubiertos, para soldadura por arco eléctrico
H-86 (AWS A5.5)
Electrodos de acero de baja aleación, recubiertos, para soldadura por arco eléctrico
H-108 (AWS A5.17)
Electrodos desnudos de acero al carbono y fundentes para soldadura por arco eléctrico sumergido
H-97 (AWS A5.18)
Metales de aporte de acero al carbono para soldadura por arco eléctrico protegido con gas
H-99 (AWS A5.20)
Electrodos de acero al carbono para el proceso de soldadura por arco eléctrico con electrodo tubular continuo
1.6.2. Concreto
te con la finalidad y características de la estructura, los cuales se especifican en la norma NMXC-414-ONNCCE.
El concreto para fines estructurales es un material que se compone básicamente de cemento, agua, agregados pétreos y según la necesidad pueden adicionarse aditivos.
La elección de un cemento para un fin determinado no es, en general difícil. Es aconsejable utilizar siempre que se pueda, un cemento de uso general, por ejemplo, de acuerdo con la norma mencionada. Sin embargo, cuando se construyen obras hidráulicas es común requerir características especiales, para lo cual pueden considerarse tipos de cemento de la Tabla 1.4.
El concreto a utilizar deberá tener una resistencia especificada, f'c, igual o mayor a 250 kg/cm2, con peso volumétrico en estado fresco entre 2.2 y 2.4 t/m2. Para obras hidráulicas el agua de mezclado deberá ser limpia y cumplir con los requisitos de la norma NMX-C-122; además los materiales deberán cumplir con las siguientes características.
Para la elección del tipo de cemento, es útil atender a las recomendaciones que se incluyen en la propia norma. Las propiedades y el comportamiento del concreto dependen en gran medida del desempeño del cemento, por lo que la elección del tipo más adecuado en cada caso
1.6.2.1. Cemento En la fabricación de los concretos, se empleará cualquier tipo de cemento que sea congruen9
