Métodos de Diseño

CONTENIDO Métodos 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 sólidos y

análisis estructural.

Producto es una estructura segura y económica

que cumple su propósito (requisitos de diseño).

DISEÑO

ESTRUCTURAL

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.

REQUISITOS

DE 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

UN 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 carga Modelo estructural Modelos de resistencia

Análisis estructural

Comparar respuesta vs.

resistencia No cumple Cumple

Fin

Revisar diseño

Proceso de diseño estructural

PROCESO DE

DISEÑO

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

INCERTEZAS

SOLICITACIONES

Q

Solicitaciones

Qc

Probabilidad de exceder Qc

2. Principios del diseño estructural

• Variabilidad de la resistencia

– Imperfecciones geométricas

– Tensiones 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

INCERTEZAS

RESISTENCIA

R

Resistencia

Rc

Probabilidad de tener

resistencia 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 DEL

DISEÑO

Q R

Qm Rm

Falla

2. Principios del diseño estructural

Q R

Qm Rm

gQc

fRc

CONFIABILIDAD

ESTRUCTURAL

Probabilidad de falla:

Falla

0ln10

QRP

QRPQRP

2. Principios del diseño estructural

ln(R/Q)

[ln(R/Q)]m

bsln(R/Q)

0

INDICE DE

CONFIABILIDAD

22

ln

QR

mm

VV

QR

b Indice de

Confiabilidad

Falla

2. Principios del diseño estructural

• AISC-LRFD

INDICE DE

CONFIABILIDAD

Combinaciones de carga b objetivo

Carga permanente + carga viva (o nieve) 3 para miembros

4.5 para uniones

Carga permanente + carga viva + viento 2.5 para miembros

Carga permanente + carga viva + sismo 1.75 para miembros

3. Filosofías de diseño

• Diseño por tensiones admisibles (tensiones de trabajo)

– Cargas de servicio

– Tensiones admisibles

• Diseño por estados límite

– Estados límite últimos

• Resistencia última

– Estados límite de servicio

• Deformaciones

• Vibraciones

METODOS DE

DISEÑO

3. Filosofías de diseño

Método de Diseño por tensiones admisibles (ASD):

Asume la misma variabilidad para todas las

solicitaciones (g = cte.)

Escrito en otro formato

in Q

R

g

f

QFS

RR n

adm

TENSIONES

ADMISIBLES

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 gf

FACTORES DE CARGA

Y 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.

VENTAJAS

COMPARATIVAS

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”.

– Códigos nacionales o regionales.

NORMAS

Y GUIAS

4. Cargas y combinaciones de carga

• 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 carga

• Peso propio de la estructura.

• Peso propio de las terminaciones de pisos y muros.

• Peso de ductos y servicios.

• Peso de tabiques.

CARGAS

MUERTAS

Losa

estructural

4. Cargas y combinaciones de carga

Cargas vivas estáticas:

• Sobrecargas de uso

– habitacional,

– de oficinas,

– de almacenamiento,

– de estacionamiento

• Tráfico peatonal o vehicular

– Cargas distribuidas

– Cargas móviles

CARGAS

VIVAS

4. Cargas y combinaciones de carga

• 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

CARGAS

DE VIENTO

a

C2·q

C1·q

C3·q

C4·q

q(h)

Viento

4. Cargas y combinaciones de carga

• Método elástico estático

Q = Cs · W

CARGAS

SISMICAS

W1

M·a

Movimiento del suelo

W2

W1

Q1 + Q2 = Q

Cortante basal

W2

Q2

Q1

4. Cargas y combinaciones de carga

• Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02)

1. 1.4(D + F)

2. 1.2(D + F + T ) + 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

COMBOS

DE CARGA

4. Cargas y combinaciones de carga

• 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

COMBOS

DE CARGA

5. Métodos de análisis

• Método elástico

– Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo.

– Miembros elásticos

– Pequeñas deformaciones

METODO

ELÁSTICO

s

e

sy

E

5. Métodos de análisis

• Método elástico

– Límite de aplicación está dado por primera fluencia de la sección

METODO

PLÁSTICO

My

Fy

-Fy

5. Métodos de análisis

• Método elástico

– Resistencia de la estructura está dada por primera fluencia o

límite de deformación

METODO

PLÁSTICO

Py Dmax

5. Métodos de análisis

• Existe reserva de resistencia en la sección

METODO

PLÁSTICO

M1>My

Fy

-Fy

My

Fy

-Fy

5. Métodos de análisis

• Existe reserva de resistencia en la estructura

(hiperestaticidad)

METODO

PLÁSTICO

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

METODO

PLÁSTICO

s

e

sy

E

5. Métodos de análisis

• Método plástico

– Estado límite en la sección es plastificación

METODO

PLÁSTICO

Mp

Fy

-Fy

5. Métodos de análisis

• Método plástico

– Estado límite en la estructura es colapso

METODO

PLÁSTICO

Pu