Métodos de Diseño

DISEÑO DE ESTRUCTURAS

CONTENIDOMétodos de Diseño

1. Introducción

2. Principios del diseño estructural

3. Filosofías de diseño

4. Cargas y combinaciones de carga

5. Métodos de análisis

1. Introducción

El Diseño Estructural es un proceso creativo basado en el conocimiento de los principios de estática, dinámica, mecánica de materiales y análisis estructural.

Producto es una estructura segura y económica que cumple su propósito (requisitos de diseño).

1. Introducción

Resistencia. Deformación máxima. Estabilidad. Vibraciones. Costo mínimo.

Peso mínimo. Mano de obra requerida mínima.

Tiempo de construcción mínimo. Máxima facilidad de mantenimiento. Máxima eficiencia de operación.

REQUISITOSDE DISEÑO

1. Introducción

1. Definición conceptual.

2. Definición de solicitaciones a considerar.

3. Estructuración.

4. Selección de elementos.

5. Análisis.

6. Evaluación.

7. Emisión de planos y especificaciones.

ETAPAS DE DISEÑO

PROCESO DE DISEÑO

1. Introducción

Cargas muertas. Cargas vivas estáticas. Cargas vivas móviles. Impacto. Nieve. Viento. Sismos. Lluvia. Empuje de suelos. Inundación. Otros.

SOLICITACIONES

2. Principios del diseño estructural

Modelos de cargaModelo estructural Modelos de resistencia

Análisis estructural

Compararrespuesta vs.

resistenciaNo cumple Cumple Fin

Revisar diseño

Proceso de diseño estructural

PROCESO DEDISEÑO

2. Principios del diseño estructural Variabilidad de las solicitaciones

Cambio de uso Estimación poco conservativa de las solicitaciones Mala estimación de los efectos de las solicitaciones debido

a simpificaciones excesivas durante análisis Diferencias en el proceso constructivo

Q

Solicitaciones

Qc

Probabilidad de exceder Qc

2. Principios del diseño estructural Variabilidad de la resistencia

Imperfecciones geométricas esfuerzos residuales. Variabilidad de la resistencia del material Defectos en el proceso constructivo Deterioro de resistencia con el tiempo Aproximación en fórmula para determinar la resistencia

INCERTEZASRESISTENCIA

R

Resistencia

Rc

Probabilidad de tenerresistencia menor que Rc

2. Principios del diseño estructural

Diseño estructural debe proveer confiabilidad adecuada para el caso de solicitaciones mayores que las consideradas o baja resistencia

OBJETIVO DELDISEÑO

Q R

Qm Rm

Falla

2. Principios del diseño estructural

Q R

Qm Rm

Qc

Rc CONFIABILIDADESTRUCTURAL

Probabilidad de falla:

Falla

0ln10 Q

RPQRPQRP

2. Principios del diseño estructural

ln(R/Q)

[ln(R/Q)]m

ln(R/Q)

0

INDICE DECONFIABILIDAD

22

ln

QR

mm

VV

QR

Indice de

Confiabilidad

Falla

2. Principios del diseño estructural

AISC-LRFD

1.75 para miembrosCarga permanente + carga viva + sismo

2.5 para miembrosCarga permanente + carga viva + viento

4.5 para uniones

3 para miembrosCarga permanente + carga viva (o nieve)

objetivoCombinaciones de carga

3. Filosofías de diseño

Diseño por esfuerzos admisibles (esfuerzos de trabajo) Cargas de servicio Esfuerzos admisibles

Diseño por estados límite Estados límite de falla

Resistencia última Estados límite de servicio

Deformaciones Vibraciones

METODOS DEDISEÑO

3. Filosofías de diseño

Método de Diseño por esfuerzos admisibles (ASD):

Asume la misma variabilidad para todas las solicitaciones ( = cte.)

Escrito en otro formato

in QR

QFS

RR nadm

esfuerzosADMISIBLES

3. Filosofías de diseño

Método de Diseño por factores de carga y resistencia (LRFD)

Basado en: Modelo probabilístico Calibración con ASD Evaluación de experiencias previas

uiin QQR

FACTORES DE CARGAY RESISTENCIA

3. Filosofías de diseño

LRFD: Es una herramienta disponible. Más racional que ASD. Permite cambios más fácilmente que ASD. Puede ser adaptado para solicitaciones no

consideradas. Permite compatibilizar diseños con distintos

materiales. ASD:

Aún se sigue utilizando como método de diseño Rehabilitación/reparación de estructuras antiguas.

VENTAJASCOMPARATIVAS

4. Cargas y combinaciones de carga

Especificaciones SEI/ASCE 7-02: Minimum Design Loads for

Buildings and Other Structures:

Reglamentos o códigos de construcción Eurocode 1: “Basis of Design and Actions on

Structures”. Reglamento de Construcciones para el Distrito

Federal

NORMASY GUIAS

4. Cargas y combinaciones de cargaAISC Cargas muertas (D). Cargas vivas estáticas (L, Lr). Cargas vivas móviles (L). Impacto (I). Nieve (S). Viento (W). Sismos (E). Lluvia (R). Empuje de suelos (H). Inundación (F). Otros.

CARGAS

4. Cargas y combinaciones de cargaRDF Cargas muertas Cargas vivas máximas Cargas vivas medias Cargas vivas instantaneas Granizo Viento Sismos Empuje de suelos Otros.

CARGAS

Peso propio de la estructura. Peso propio de las terminaciones de pisos y muros. Peso de ductos y servicios. Peso de muros.

CARGAS MUERTAS

Losaestructural

4. Cargas y combinaciones de carga

4. Cargas y combinaciones de cargaCARGAS VIVAS

Cargas vivas estáticas: Sobrecargas de uso

habitacional, de oficinas, de almacenamiento, de estacionamiento

Tráfico peatonal o vehicular Cargas distribuidas Cargas móviles

CARGASVIVAS

4. Cargas y combinaciones de cargaCARGAS DE VIENTO

Velocidad máxima vmax de viento esperada (en N años) Localización geográfica Irregularidad del terreno

Presión básica q = q(vmax).

Variación de la presión en altura.

Modificación por Dirección de incidencia Inclinación de superficies

CARGASDE VIENTO

C2·q

C1·q

C3·q

C4·q

q(h)

Viento

4. Cargas y combinaciones de cargaSISMO

Método elástico estático Método elástico dinámico

Q = Cs · W

CARGASSISMICAS

W1

M·a

Movimiento del suelo

W2

W1

Q1 + Q2 = Q

Cortante basal

W2

Q2

Q1

4. Cargas y combinaciones de cargaAISC

Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02)

1. 1.4(D + F)

2. 1.2(D + F) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr or S or R)

3. 1.2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W)

4. 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R)

5. 1.2D + 1.0E + L + 0.2S

6. 0.9D + 1.6W + 1.6H

7. 0.9D + 1.0E + 1.6H

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de cargaAISC Combinaciones de carga ASD (ASCE 7-02)

D+ F D + H + F + L + T D + H + F + (Lr or S or R) D + H + F + 0.75(L + T ) + 0.75(Lr or S or R) D + H + F + (W or 0.7E) D + H + F + 0.75(W or 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr or

S or R) 0.6D + W + H 0.6D + 0.7E + H

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga RDF

Combinaciones de acciones

La seguridad de una estructura deberá verificarse para el

efecto combinado de todas las acciones que tengan una

probabilidad no despreciable de ocurrir simultáneamente,

considerándose dos categorías de combinaciones:

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga RDF

a) Para las combinaciones que incluyan acciones

permanentes y acciones variables, se considerarán

todas las acciones permanentes que actúen sobre la

estructura y las distintas acciones variables, de las

cuales la más desfavorable se tomará con su intensidad

máxima y el resto con su intensidad instantánea,

o bien todas ellas con su intensidad media cuando se

trate de evaluar efectos a largo plazo.

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga RDF

Para la combinación de carga muerta más carga viva,

se empleará la intensidad máxima de la carga viva,

considerándola uniformemente repartida sobre toda el

área. Cuando se tomen en cuenta distribuciones de la

carga viva más desfavorables que la uniformemente

repartida, deberán tomarse los valores de la intensidad

Instantánea.

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga RDF

b) Para las combinaciones que incluyan acciones

permanentes, variables y accidentales, se considerarán

todas las acciones permanentes, las acciones variables

con sus valores instantáneos y únicamente una acción

accidental en cada combinación.

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga RDF

Factores de carga

Para determinar el factor de carga, FC, se aplicarán las

reglas siguientes:

a) Para combinaciones de acciones clasificadas en el

inciso a), se aplicará un factor de carga de 1.4.

Cuando se trate de edificaciones del Grupo A, el factor

de carga para este tipo de combinación se tomará igual

a 1.5

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga RDF

b) Para combinaciones de acciones clasificadas en el

incisob, se tomará un factor de carga de 1.1 aplicado a

los efectos de todas las acciones que intervengan en la

combinación;

c) Para acciones o fuerzas internas cuyo efecto sea

favorable a la resistencia o estabilidad de la estructura,

el factor de carga se tomará igual a 0.9; además, se

tomará como intensidad de la acción el valor mínimo

probable

COMBOSDE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga RDF

d) Para revisión de estados límite de servicio se tomará

en todos los casos un factor de carga unitario.

1.4 CM + 1.4 CV max

1.1 CM + 1.1 CV ins + 1.1 Aac

COMBOSDE CARGA

5. Métodos de análisis

Método elástico Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo.

Miembros elásticos Pequeñas deformaciones

METODOELÁSTICO

y

E

5. Métodos de análisis

Método elástico Límite de aplicación está dado por primera

fluencia de la sección

METODOPLÁSTICO

My

Fy

-Fy

5. Métodos de análisis

Método elástico Resistencia de la estructura está dada por

primera fluencia o límite de deformación

METODOPLÁSTICO

Pymax

5. Métodos de análisis

Existe reserva de resistencia en la sección

METODOPLÁSTICO

M1>My

Fy

-Fy

My

Fy

-Fy

5. Métodos de análisis

Existe reserva de resistencia en la estructura (hiperestaticidad)

METODOPLÁSTICO

Rango elástico

P1≤Py

Plastificación de viga

P2>Py

Colapso

Pu>P2

5. Métodos de análisis

Método plástico Material es elástico-perfectamente plástico.

No hay inestabilidad No hay fractura No hay fatiga

METODOPLÁSTICO

y

E

5. Métodos de análisis

Método plástico Estado límite en la sección es plastificación

METODOPLÁSTICO

Mp

Fy

-Fy

5. Métodos de análisis

Método plástico Estado límite en la estructura es colapso

METODOPLÁSTICO

Pu