Introducclon Al Diseño Estructural-r4

INTRODUCCION AL DISEÑO ESTRUCTURAL

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GUÍA DE APLICACIÓN INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURAL Contenido:

1. Concepto del Diseño Estructural 2. Proceso del Diseño Estructural 

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Etapa 1 – Estructuración Estructuración Etapa 2 – Estimación Estimación de acciones Etapa 3 – Predimensionado Predimensionado Etapa 4 – Idealización Idealización de la estructura Etapa 5 – Análisis Análisis estructural Etapa 6 – Diseño Diseño estructural

3. Conceptos Fundamentales 4. Diseño por Estados Límites  

Estado límite de agotamiento resistente Estado límite de de servicio

5. Acciones y Sus Efectos Sobre las Estructuras

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Acciones permanentes Acciones variables Acciones accidentales

6. Combinaciones de Carga 

El sismo horizontal horizontal Sh

7. Métodos de Análisis  



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Análisis estático equivalente Método de superposición modal con un grado de libertad Método de superposición modal con tres grados de libertad por nivel Método de análisis dinámico espacial con diafragma flexible Método de análisis dinámico con acelerogramas Método de análisis estático inelástico

8. Programas de Cálculo Estructural 9. Normas para el Diseño Estructural  

Normas venezolanas Normas internacionales internacionales

GUÍA DE APLICACIÓN INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURAL

1. Concepto del Diseño Estructural Se caracteriza por un proceso creativo mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para que cumpla una función determinada con un grado de seguridad razonable y que en condiciones normales de servicio tenga un comportamiento adecuado. Es importante considerar ciertas restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo de ejecución así como de satisfacer determinadas exigencias estéticas. Entonces, la solución al problema de diseño no puede obtenerse mediante un proceso matemático rígido, donde se aplique rutinariamente un determinado conjunto de reglas y fórmulas.


2. Proceso del Diseño Estructural Etapa 1 - Estructuración: En esta etapa se define principalmente el sistema estructural a utilizar. Se elabora un esquema preliminar con dimensiones, distancias, materiales, tipos de elementos y secciones. Etapa 2 – Estimación de Acciones: En esta etapa se identifican las acciones que van a actuar sobre el sistema estructural durante su vida útil. Entre estas acciones se encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes, acciones variables, acciones accidentales como el viento y el sismo. Etapa 3 – Predimensionado: En esta etapa se realiza un predimensionado de los elementos que conforman la estructura tomando en cuenta el sistema estructural adoptado y las acciones que inciden sobre la misma. En esta etapa es fundamental la experiencia del ingeniero ya que un predimensionado optimo reduce el tiempo de análisis.


2. Proceso del Diseño Estructural Etapa 4 – Idealización de la Estructura: Consiste en seleccionar un modelo teórico y analítico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo disponibles. Esto incluye: a) Definir materiales y secciones a utilizar. b) Elaboración de un modelo plano o tridimensional que representa las principales características geométricas de la estructura, incorporando los elementos que la conforman con sus respectivas secciones y materiales asociados tomando en cuenta el predimensionado realizado. c) Establecer las condiciones de unión entre los elementos y los vínculos de apoyo de la estructura. d) Aplicar las acciones permanentes, variables y accidentales


2. Proceso del Diseño Estructural Etapa 5 – Análisis Estructural: Se define como el procedimiento que lleva la determinación del sistema estructural ante la solicitación de las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La respuesta de una estructura o de un elemento bajo una acción determinada; está en función de sus propias características y puede expresarse en términos de deformaciones, desplazamientos, tensiones, fuerzas, reacciones, vibraciones, agrietamiento, etc. Etapa 6 – Diseño Estructural: En esta etapa se definen los elementos que cumplen bajo los criterios de resistencia y de servicio, tomando en cuenta las máximas solicitaciones provenientes del análisis y los aspectos normativos que apliquen.


3. Conceptos Fundamentales La principal función de un Sistema Estructural es la de absorber las acciones o solicitaciones que se derivan del funcionamiento de la construcción. Acciones: Son todos los agentes externos que inducen en la estructura fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones. Respuestas: Se representa por un conjunto de parámetros físicos que describen el comportamiento de la estructura ante las acciones que le son aplicadas. Estado Límite: Es cualquier etapa en el comportamiento de la estructura a partir de la cual su respuesta se considera inaceptable. Resistencia: Se asocia a la capacidad de un elemento o estructura condicionada por un estado límite.


4. Diseño por Estados Límites El objetivo del diseño por el Método de los Estados Límites es mantener una baja probabilidad de alcanzar un estado límite preestablecido, en función a la demanda de rigidez, resistencia, estabilidad y disipación de energía sobre la estructura, sus miembros y juntas. Dicha demanda no debe exceder la capacidad de los mismos. La confiabilidad final de la estructura estará dada entonces por el cabal cumplimiento de la Norma incluyendo un correcto detallado, fabricación, montaje, inspección y mantenimiento. Se tienen dos (2) Estados Límites: Agotamiento Resistente y de Servicio.


4. Diseño por Estados Límites Estado Límite de Agotamiento Resistente: Se encuentra relacionado con la seguridad y la capacidad donde se incluyen las verificaciones por resistencia, estabilidad, volcamiento, colapso y cualquier otra falla estructural que comprometa la seguridad y la vida. Se alcanza este estado límite multiplicando las solicitaciones por sus factores de mayoración para cuantificar la demanda y multiplicando las resistencias teóricas por sus factores de minoración para calcular la capacidad. El criterio fundamental para el estado límite de agotamiento resistente está dado por la siguiente expresión simplificada:

  i Qi 

 i Rti


4. Diseño por Estados Límites i

=Efecto de las solicitaciones previstas no mayoradas.

i = Factor de mayoración correspondiente a la solicitación Qi., por ejemplo: las producidas por acciones permanentes “CP”, variables “CV”. etc.  Qi = Demanda local de resistencia o solicitaciones mayoradas (Nu, Mu, Vu)

sobre la estructura, sus miembros, conexiones o componentes correspondiente a un determinado estado límite. Rti =Resistencia teórica (Nt, Mt, Vt) de la estructura, sus miembros, conexiones o componentes  =Factor de minoración de la resistencia teórica Rti.  Rti =Capacidad o Resistencia.


4. Diseño por Estados Límites Estado Límite de Servicio: Está relacionado con la durabilidad y funcionamiento bajo condiciones normales de servicio que puedan afectar el confort de los usuarios, como flechas o deformaciones y contraflechas, vibraciones, fatiga, efectos de temperatura, deslizamiento en las juntas y conexiones, y corrosión. En una estructura flexible es inaceptable despreciar las condiciones de servicio. Hay esencialmente tres tipos de comportamiento estructural que puede llevar al estado límite de servicio: a) Excesivo daño local por cedencia, pandeo, deslizamiento, o agrietamiento que puede requerir un excesivo mantenimiento u ocasionar corrosión. b) Excesiva flecha o rotación que puede afectar la apariencia, función, o drenaje de la estructura, o que puede causar daños a componentes no estructurales y sus conexiones. c) Vibración excesiva producida por viento o cargas variables que afectan el bienestar de los ocupantes de la estructura o la operación de equipos mecánicos.


5. Acciones y Sus Efectos Sobre las Estructuras Atendiendo los conceptos de seguridad estructural y de los criterios de diseño, la clasificación mas racional de las acciones se hace en función a la variación de su intensidad con el tiempo. Se distinguen así los siguientes tipos de acciones: Acciones Permanentes: Son las que actúan en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad puede considerarse que no varía con el tiempo. Pertenecen a este grupo las siguientes: 





Cargas permanentes debidas al propio peso de la estructura y al de los elementos no estructurales de la construcción. Empujes estáticos de líquidos y tierras. Deformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto del preesfuerzo y a movimientos diferenciales permanentes en los apoyos.


5. Acciones y Sus Efectos Sobre las Estructuras Acciones Variables: Son aquellas que inciden sobre la estructura con una intensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores importantes durante lapsos grandes. Se consideran las siguientes: 

Cargas variables asociadas al funcionamiento propio de la construcción.



Cambios de temperaturas y/o volumétricos.

Acciones Accidentales: Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la construcción y que puede tomar valores significativos solo durante un corto tiempo en toda la vida útil de la estructura. Se consideran las siguientes: Sismos, Vientos, Oleajes y Explosiones. Para evaluar el efecto de las acciones sobre la estructura requerimos modelar dichas acciones como fuerzas concentradas, lineales o uniformemente distribuidas. Si la acción es de carácter dinámico se puede proponer un sistema de fuerzas equivalentes o una excitación propiamente dinámica.


5. Acciones y Sus Efectos Sobre las Estructuras La acción sísmica se aplica fundamentalmente a través de un espectro de diseño en función a varios parámetros: Tipo de Estructura Zona Sísmica Nivel de Importancia Tipo de Suelo Factor de Reducción de Respuesta     

Esta acción sísmica se aplica en direcciones ortogonales (Sx , Sy) El espectro de diseño representa las máximas respuestas de aceleración de infinitos sistemas de 1 GDL ante una acción sísmica tomando en consideración los parámetros antes mencionados.


6. Combinaciones de Carga

1) 1.4 CP 2) 1.2 CP + 1.6 CV + 0.5(CVt o N o LL) 3) 1.2 CP + 1.6(CVt o N o LL) + (CV o 0.5V) 4) 1.2 CP + 1.0V + CV + 0.5(CVt o N o LL) 5) 1.2 CP + 1.0S + CV + 0.2N 6) 0.9 CP + 1.0V 7) 0.9 CP + 1.0S

Donde: CP: Carga permanente CV: Carga variable CVt : Carga variable de techo N: Carga de nieve LL: Carga de lluvia V : Carga de viento S: Acción sísmica • •

• • • •

•


6. Combinaciones de Carga En determinados casos es necesario aplicar una carga sísmica amplificada dada por el factor “Ωo”, para el diseño de miembros especiales, conforme a los sistemas estructurales en acero sismorresistentes.



1.2 CP + γ CV ± Ω o S

Donde:



0.9 CP ± Ω o S

Ωo = Factor de amplificación

sísmica

La acción Sísmica se expresa tomando en cuenta la componente horizontal y vertical:

S  Sh  Sv


6. Combinaciones de Carga El Sismo Horizontal Sh Viene dado por sismos ortogonales que se combinan de acuerdo con uno de los siguientes métodos: La raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las solicitaciones correspondientes a cada dirección del sismo.

Sh  Sx 2  Sy 2 El valor absoluto de las solicitaciones debidas a sismo en una dirección más 0.30 del valor absoluto de las solicitaciones debidas a sismo en la dirección ortogonal, y viceversa.

Sh  Sx  0.30 Sy Y

Sh  Sy  0.30 Sx


7. Métodos de Análisis Análisis Estático Equivalente: Se aplica a estructuras regulares menores a 10 pisos o 30 metros donde se limita el riesgo torsional. La distribución de fuerzas se fundamenta en la respuesta del modo principal, el cual se presenta con una distribución triangular desde el nivel base hasta el tope de la estructura. Método de Superposición Modal con Un Grado de Libertad por Nivel: Se aplica a estructuras planas donde se unifican los desplazamientos de cada nivel considerando que no existe deformación axial de las vigas. Las fuerzas máximas probables por sismos se obtienen de superponer las fuerzas de cada modo empleando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado (SRSS), o bien, la combinación cuadrática completa (CQC). El número mínimo de modos a considerar será proporcional al número de niveles garantizando que la sumatoria de masas participativas sea mayor o igual al 90%. En cualquier caso será necesario revisar que el corte basal dinámico sea igual o mayor al estático.


7. Métodos de Análisis Método de superposición Modal con tres grados de libertad por nivel: Se aplica a estructuras espaciales incluyendo el acoplamiento de las vibraciones traslacionales y torsionales de la edificación y considera tres grados de libertad para cada nivel (diafragma rígido). Las fuerzas máximas probables por sismos, para cada dirección, se obtienen de superponer las fuerzas de cada modo empleando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado (SRSS), o bien, la combinación cuadrática completa (CQC). El número mínimo de modos a considerar será equivalente a 3 veces el número de niveles garantizando que la sumatoria de masas participativas sea mayor o igual al 90%. Adicionalmente, debido a la incertidumbre en la ubicación de los centros de masa y rigidez se considera una excentricidad accidental que varía generalmente entre el 5% y el 10% del ancho de la planta perpendicular a la acción sísmica. En el caso de Venezuela se aplica el 6%. En cualquier caso será necesario revisar que el corte basal dinámico sea igual o mayor al estático.


7. Métodos de Análisis Método de Análisis Dinámico Espacial con Diafragma Flexible: Se aplica a estructuras espaciales que no poseen una rigidez de conjunto en el plano suficiente para un comportamiento rígido. Las vibraciones traslacionales y torsionales se dan en función a la distribución de masas y rigidez en la edificación. Las fuerzas máximas probables por sismos, para cada dirección, se obtienen de superponer las fuerzas de cada modo empleando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado (SRSS), o bien, la combinación cuadrática completa (CQC). El número mínimo de modos a considerar será el que garantice que la sumatoria de masas participativas sea mayor o igual al 90%. Adicionalmente, debido a la incertidumbre en la disposición real de la masa ante acciones sísmicas se considera una excentricidad accidental en el orden del 3% del ancho de la planta perpendicular a la acción sísmica. Esto se hace modificando gradualmente la distribución de masas en cada nivel. En cualquier caso será necesario revisar que el corte basal dinámico sea igual o mayor al estático.


7. Métodos de Análisis Método de Análisis Dinámico con Acelerogramas: Se aplica a estructuras planas y/o espaciales con un análisis mediante procedimientos de integración directa (paso a paso) para acelerogramas representativos de la acción sísmica esperada en el sitio. Para el análisis se utilizarán al menos 4 acelerogramas o pares de acelerogramas. Si el análisis incluye la acción simultánea de las dos componentes horizontales del sismo, los acelerogramas a usar deberán tener un coeficiente de correlación adecuado. La respuesta dinámica probable se obtendrá de promediar las respuestas obtenidas para todos los acelerogramas del conjunto. En el análisis se deberán incluir los efectos P-Δ. Los movimientos sísmicos a utilizar en el análisis podrán ser acelerogramas registrados o simulados mediante procedimientos reconocidos. El espectro elástico promedio de los acelerogramas del conjunto deberá aproximarse conservadoramente al espectro de diseño para el valor R=1.0, en el rango de los períodos propios de la estructura.


7. Métodos de Análisis Método de Análisis Estático Inelástico: Constituye una opción adecuada para ser utilizada en conjunto con el método de Análisis Estático Equivalente, a fin de obtener información sobre los mecanismos de falla, las demandas locales y globales de ductilidad, y la identificación de zonas críticas. El patrón de cargas estáticas laterales a aplicar se obtendrá proporcional a lo obtenido por el método de Análisis Estático Equivalente para cada nivel, actuando en forma monotónica y creciente, hasta alcanzar la falla o estado de agotamiento de la estructura. La estructura será modelada considerando un comportamiento inelástico representativo de sus características mecánicas para cada miembro estructural, donde el patrón de cargas laterales inicia a partir del estado final de deformaciones y solicitaciones ante acciones gravitacionales.


8. Programas de Cálculo Estructural A continuación se presenta una lista de los programas mas comerciales utilizados actualmente: Programas CSI

Programas BENTLEY

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SAP2000



STAAD.Pro



ETABS

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STAAD.Foundation



SAFE



STAAD.Offshore



CSI Col



RAM Advanse



PERFORM 3D

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RAM Structural System



BRIDGES



RAM Elements



OFF SHORE

Programas ROBOT

Otros:



Robot Millenium

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Cypecad

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RoboBat

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Abaqus


9. Normas para el Diseño Estructural Normas Venezolanas: 

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COVENIN 1756-01 “ Edificaciones Sismorresistentes” COVENIN 1618-98 “Estructuras de Acero para Edificaciones. Método de los Estados Límites. COVENIN 1755-82 “Código de Prácticas Normalizadas para la Fabricación y Construcción de Estructuras de Acero”. COVENIN 2002-88 “Criterios y Acciones Mínimas para el Proyecto de Edificaciones”. COVENIN 2003-86 “ Acciones del Viento sobre las Construcciones” COVENIN 1753-87 “Estructuras de Concreto para Edificaciones. Análisis y Diseño”. Nota: Actualmente se tiene una propuesta 2006.

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COVENIN 3621-00 “Diseño Sismorresistente de Instalaciones Industriales”

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COVENIN 3623-00 “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”.


9. Normas para el Diseño Estructural Normas Internacionales: 

ANSI/AISC 360 “ Specifications for Structural Steel Buildings”



ANSI/AISC 341 “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”

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

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ANSI/AISC 358 “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications.” ACI 318 “ Building Code Requirements for Structural Concrete” UBC “ Uniform Building Code” ASCE “American Society of Civil Engineers”

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